Античастицы. Физики: протон и антипротон полностью идентичны друг другу

В кулоновском поле ядра с зарядом Z в связанном состоянии находятся Z электронов, однако, и другие отрицательно заряженные частицы могут входить в состав экзотических атомов (табл. 8.2).
Мезоатом представляет собой положительно заряженный ион, в поле которого находится антипротон или отрицательно заряженный мезон. Такие мезоатомы образуются замещением электронов при облучении обычных атомов медленными антипротонами или мезонами. Обозначают мезоатомы последовательностью «частица, заместившая электрон» + «изотоп» + «степень ионизации изотопа», например, 4 He обозначает, что в 4 He один электрон замещен на антипротон.
Если время жизни частицы, образующей мезоатом, больше времени протекания атомных процессов, то она может совершать несколько переходов с одной орбиты на другую, сопровождаю-щихся рентгеновским излучением. Для низколежащих уровней перекрывание с областью ядра велико и это обстоятельство может быть использовано для исследования поверхности атомных ядер. Такие эксперименты были выполнены в ЦЕРН. Для исследования отношения N/Z ядерной поверхности для 20 ядер, расположенных в долине стабильности, был использован пучок медленных антипротонов . Антипротон-нуклонное взаимодействие является сильным взаимодействием, поэтому медленные антипротоны взаимодействуют и аннигилируют уже в поверхностном слое ядра. В отличие от электронов с помощью антипротонов может быть получено не только зарядовое, но и массовое распределение ядерной материи.

Таблица 8.2

Характеристики частиц,
которые могут образовывать экзотические атомы
(электрон приведен для сравнения)

Частица	Спин, четность J P	Масса, МэВ	Время жизни ×10 -10 с	Боровский радиус в H, фм
e -	1/2	0.511		52917
μ -	1/2	105.658	2197	285
π -	0 -	139.57	260.33	222
K -	0 -	493.677	123.8	84
Σ -	1/2 +	1189.37	0.8018	52
Ξ -	1/2 +	1321.71	1.639	49
Ω -	3/2 +	1672.45	0.821	45
	1/2 +	938.272		57

При взаимодействии медленных антипротонов с веществом образуются антипротонные атомы, в которых один из электронов заменен на антипротон. Сигналом об образовании антипротонного атома служит характерное излучение, образующееся при переходе антипротона с одной боровской орбиты на другую.

На рис. 8.10 показан характеристический спектр, возникающий при облучении мишени из 176 Yb пучком медленных антипротонов и измеренный с помощью сверхчистого германиевого детектора .
Из-за большой массы антипротонов орбиты антипротонных атомов расположены глубоко внутри электронного облака и находятся вблизи атомного ядра, о чем свидетельствуют энергии характеристического излучения. Радиус орбит, с которых может происходить аннигиляция антипротонов, зависит от заряда ядра.
На рис. 8.11 показаны радиусы отдельных боровских орбит для антипротонного атома 58 Ni. Указано расстояние от центра ядра. Видно, что аннигиляция антипротонов происходит преимущественно с низших орбит. Главное квантовое число n аннигиляционной орбиты увеличивается с увеличением Z и равно n = 1 для самых лёгких ядер и n = 10 для тяжелых ядер. Радиус орбит, с которых происходит аннигиляция, составляет
> 10 фм. Однако благодаря сильному взаимодействию даже небольшая вероятность нахождения антипротона вблизи ядра приводит к его аннигиляции с одним из нуклонов ядерной поверхности.

Рис. 8.11. Ядерная плотность 58 Ni и волновые функции антипротона. Показаны также радиусы отдельных боровских орбит.

Рис. 8.12. Нормализованная плотность распределения ядерной материи для ядра 58 Ni и рассчитанная теоретически вероятность аннигиляции антипротона W tot в зависимости от расстояния от центра ядра. Приведены также рассчитанные вероятности аннигиляции для орбит с различными значениями n и l .

На рис. 8.12 показаны нормализованная плотность распределения ядерной материи ρ/ρ 0 для ядра 58 Ni и рассчитанная теоретически вероятность аннигиляции антипротона W tot в зависимости от расстояния от центра ядра. Приведены также рассчитанные вероятности аннигиляции для орбит с различными значениями n и l . Видно, что вероятность аннигиляции имеет максимум в области примерно на 1.5 Фм, превышающей радиус ядра, и практически не зависит от n и l . На этих расстояниях плотность ядерной материи составляет ~5% плотности центральной части ядра. В результате аннигиляции антипротона с одним из периферических нуклонов выделяется энергия ~2 ГэВ, которая распределяется между продуктами аннигиляции. В 95% случаев в конечном состоянии образуются нейтральные и заряженные ионы. В среднем образуются ~5 пионов, имеющих изотропное угловое распределение. Частично эти пионы взаимодействуют с тем же ядром, в котором произошла аннигиляция, вызывая различные ядерные реакции. Однако, т.к. точка, в которой происходит аннигиляция, находится на периферии ядра, телесный угол, под которым из этой точки видно ядро, достаточно мал и поэтому только небольшая часть n int из пяти образовавшихся пионов провзаимодействует с ядром, в котором произошла аннигиляция. Для ядра с массой A ~ 200 n int имеет величину 1 или меньше. Поэтому случаи n int = 0 будут наблюдаться достаточно часто. Эти случаи называются холодной аннигиляцией. В результате таких событий будет образовываться остаточное ядро A−1. В зависимости от того, с каким нуклоном первоначального ядра (Z t ,N t) провзаимодействовал антипротон - нейтроном или протоном - образуется ядро (Z t ,N t −1) или (Z t −1,N t).
Если исходное ядро (Z t ,N t) выбрано таким, что оба образовавшихся ядра (Z t −1,N t) и (Z t ,N t −1) будут β-радиоактивными, то измеряя β-активность образовавшихся радиоактивных изотопов, можно определить с каким из нуклонов, нейтроном или протоном, провзаимодействовал антипротон.
Расчеты показывают, что практически независимо от массового числа A t холодная аннигиляция n int = 0 происходит на расстоянии ~2.5 Фм от того места, где плотность ядерной материи спадает в
2 раза R + 2.5Фм и пространственное распределение области аннигиляции имеет ширину ~3 Фм. В этой области плотность ядерной материи составляет 10 -3 ÷10 -2 плотности материи в центральной части ядра.

Рис. 8.13. Зависимость гало-фактора ƒ halo от энергии связи нейтрона в ядре B n .

В экспериментах, выполненных в CERN на пучке медленных антипротонов LEAR (Low Energy Antiproton Ring), было исследовано ~20 ядер, для которых было получено отношение N/Z для ядерной периферии R + 2.5 Фм описанным выше методом .

На рис. 8.13 показана зависимость гало-фактора ƒ halo от энергии связи нейтрона в ядре B n .

Гало-фактор ƒ halo определяется как отношение числа аннигиляции антипротонов на нейтроне к числу аннигиляции антипротонов на протоне, нормированное на вероятность аннигиляции W tot и отношение N/Z для исходного ядра мишени.
Величина гало-фактора ƒ halo = 1 означает, что на периферии ядра R + 2.5 фм отношение плотности нейтронов к плотности протонов совпадает с аналогичным отношением в центре ядра (N/Z).
В случае ƒ halo = 8 отношение плотности нейтронов на периферии к плотности протонов в 8 раз превышает отношение N/Z в центре ядра. Обнаруженная зависимость ƒ halo от энергии связи нейтрона в ядре в целом хорошо согласуется с нашим современным пониманием образования гало ядер − уменьшение энергии связи нейтрона в ядре приводит к увеличению их относительной плотности на периферии.
Таким образом, вся совокупность экспериментальных данных, полученная в настоящее время, свидетельствует о том, что периферийная область ядра может иметь отношение плотности нейтронов к плотности протонов, отличающееся от аналогичного отношения в центральной части ядра. Этот эффект проявляется в ядрах, перегруженных нейтронами. Причина в том, что по мере увеличения числа нейтронов при постоянном заряде ядра Z происходит уменьшение энергии связи нейтрона. Энергия Ферми нейтронных уровней уменьшается и слабо связанные нейтроны могут отходить на большие расстояния от центра ядра. Аналогичная ситуация имеет место и в простейшей ядерной системе − дейтроне. Энергия связи нейтрона в дейтроне 2.2 МэВ, ширина эффективной потенциальной ямы в дейтроне ~ 2.5 фм, в то время как радиус дейтрона ~4.2 фм.

Измерение массы антипротона

Проверка равенства масс частицы и античастицы как одного из важнейших следствий CPT инвариантности имеет фундаментальное значение. Изучение античастиц в мезоатомах предоставляет для этого уникальные возможности, позволяя использовать нетрадиционные для ядерной физики методы лазерной спектроскопии.
В антипротонном гелии 4 He антипротон находится в одном из высоковозбужденных состояний, т.к. иначе он аннигилирует с протоном ядра. При этом антипротон оказывается защищен снаружи электронным облаком, и атомы 4 He не разрушаются при столкновениях. Существуют два механизма перехода антипротона на нижележащие состояния:

• радиационный, сопровождающийся испусканием гамма-кванта,
• безызлучательный переход, сопровождающийся ионизацией электрона (аналог Оже-процесса).

Во втором случае, после того, как антипротон перестает быть защищенным электронным облаком, ион 4 He + аннигилирует в результате столкновений с другими атомами.
Уже первые расчеты показали, что высоковозбужденные ридберговские состояния (l = n −1) антипротонного гелия могут обладать значительным, порядка микросекунд, временем жизни, поскольку вероятность оже-распада сильно подавлена высокой мультипольностью переходов и значительной энергией ионизации электрона (табл. 8.3). Чтобы произошла ионизация, энергия перехода антипротона между начальным и конечным состояниями (∆n) антипротонного гелия, с главным квантовым числом n в начальном состоянии, должна быть больше, чем энергия связи электрона, т.е. E i ≥ E, и, следовательно, изменение орбитального квантового числа ∆l будет значительным. Поэтому вероятность такого распада уменьшается, а время жизни атома увеличивается.

Таблица 8.3.

Некоторые характеристики возбужденных состояний 4 He +

В работе были исследованы два изотопа антипротонного гелия
4 He + и 3 He + методами лазерной спектроскопии для получения отношения масс антипротона к электрону. Это отношение можно найти из следующих соображений. Измерив частоты нескольких двухфотонных переходов антипротона в He + и сопоставив их с результатами высокоточных теоретических расчетов , можно минимизировать среднеквадратичное отклонение результатов, рассматривая теоретические значения частот как функцию отношения масс антипротона и электрона. Таким образом, задача сводится к наиболее точному нахождению энергии перехода антипротона между заданными уровнями. Ей удовлетворяет вынужденный переход антипротона в нижележащее состояние (n,l ) → (36,34)(34,32) (рис. 8.14а), это возможно благодаря тому, что антипротон находится в высоковозбужденном состоянии, а единственный электрон − в нижайшем. Данный переход удовлетворяет нескольким условиям:

• начальное и конечное состояния атома такие, что волновая функция антипротона не перекрывается с волновой функцией ядра;
• время жизни для Оже-распада начального и конечного состояний атома соответственно достаточно большое, порядка микросекунд (табл. 8.3), и достаточно малое, порядка наносекунд;
• антипротонный атом обладает промежуточным уровнем (35,33), необходимым для усиления перехода (см. далее).

Таким образом, в данной работе лазерный пучок индуцировал в мезоатоме двухфотонный переход, после которого с большой вероятностью испускался Оже-электрон, что в свою очередь приводило к аннигиляции антипротона. Возникающий вследствие этой аннигиляции поток пионов регистрировался черенковскими детекторами, пример сигнала с детекторов приведен на рис. 8.14b.
Ряд решений при постановке эксперимента позволил на несколько порядков увеличить точность измерений частоты перехода антипротона. Использование двух встречных лазерных пучков с частотами ν 1 и ν 2 (рис. 8.14а) позволило на несколько порядков ослабить влияние допплеровского уширения линии, поскольку при любом направлении скорости атома допплеровские сдвиги частоты у двух встречных лазерных пучков будут обладать противоположными знаками: ν" = ν + (kv a), где k − обратная величина длине волны, v a − скорость атома. В простейшем случае, когда атом движется вдоль направления распространения поля: ν 1 " = ν 1 + (k 1 v a), ν 2 " = ν 2 − (kv a). При использовании встречных пучков допплеровская ширина уменьшается в (ν 1 + ν 2)/(ν 1 − ν 2) раз и при близких частотах практически исчезает. Вероятность двухфотонного перехода усиливалась благодаря наличию промежуточного уровня, близкого к резонансу.

По отношению к протону. Масса и спин А. такие же, как у протона, барионное число B = -1 Электрич. заряд (и магн. момент) А. отрицателен и равен по абс. величине электрич. заряду (магн. моменту) протона.

А. был впервые обнаружен экспериментально в 1955 О. Чемберленом (О. Chamberlain), Э. Сегре (E. Segre), К. Вигандом (С. Wiegand) и T. Ипсилантисом (T. Ypsilantis) в Беркли (США) на ускорителе протонов с макс. энергией 6,3 ГэВ. Вследствие сохранения барионного числа рождение А. должно сопровождаться рождением протона, поэтому для рождения А. необходимо, чтобы суммарная кинетич. энергия сталкивающихся частиц в системе центра масс превышала пары протон-А. Это условие выполнялось на ускорителе в Беркли для соударения протонов с ядрами мишени. Опыт был поставлен след. образом. Пучок протонов из ускорителя падал на медную мишень, в к-рой в результате взаимодействия протонов с ядрами меди рождались разл. частицы. Магниты отбирали отрицательно заряженные частицы (преим. -мезоны), отклоняя их в направлении черенковских счётчиков, измерявших скорость частиц. Отождествление частицы с А. проводилось по величине её массы, к-рая определялась из соотношения между импульсом (измеряемым по отклонению в магн. поле) и скоростью частицы. В опыте рождалось неск. А. на 10 11 столкновений протонов с мишенью.

В отсутствие вещества А., как и протон, с очень высокой степенью точности стабилен. В веществе "время жизни" медленного А. определяется скоростью его аннигиляции .

Кулоновское взаимодействие между А. и ядрами может вызывать образование антипротонных атомов - связанных водородоподобных систем (см. Адронные атомы ). На малых расстояниях между А. и нуклоном действуют притяжения, к-рые могут приводить к образованию связанной системы А.- нуклон (бариония ).В результате сильного (ядерного) взаимодействия между А. и антинуклонами могут образовываться ядра антивещества , а в результате эл--магн. (кулоновского) взаимодействия между А. и позитроном - атомы антиводорода.

К сер. 80-х гг. на ускорителях получают пучки А. высоких энергий, вплоть до 270 ГэВ (в столкновениях протонов высоких энергий с ядрами выход %). Результаты исследования взаимодействия таких А. с нуклонами показывают, что с ростом энергии А. его с нуклонами становится всё менее вероятной, а полное сечение -взаимодействия (в согласии с Померанчука теоремой )всё более сближается с сечением pN-взаимодействия.

Согласно кварковой модели (см. Кварки ),А. состоит из трёх конституентных антикварков: двух -кварков и одного -кварка.

Рождение пар протон-А. наблюдается не только в столкновениях адронов, но и в столкновениях встречных и позитронов с энергиями выше 1 ГэВ. Экспериментально установлено, что относит. вероятность рождения А. растёт с ростом энергии пучков и при энергии ок. 30 ГэВ составляет неск. десятков процентов. Столь большая вероятность может быть объяснена фрагментацией в адроны жёстких глюонов , вероятность рождения к-рых с ростом энергии увеличивается.

Длительное существование А. возможно только при низкой нуклонов - в накопителях заряж. частиц, а также в космич. пространстве.

Наблюдение А. в космич. лучах указывает на наличие космических источников А. Таким источником может быть взаимодействие высокоэнергичных частиц космич. лучей с межзвёздным веществом. А. могут также рождаться, напр., в оболочке пульсара при взаимодействии с её веществом высокоэнергичных частиц, ускоряемых магн. полем пульсара, а также в окрестности активного ядра Галактики. В связи с превышением наблюдаемого потока космич. А. (особенно в области энергий <1 ГэВ) над ожидаемым от естеств. источников обсуждались такие возможные механизмы рождения А., как испарение первичных чёрных дыр, рождение А. в распадах или при аннигиляции гипотетич. тяжёлых метастабильных частиц (напр., гравитино, фотино) , предсказываемых нек-рыми моделями

Физики из CERN в ходе экспериментов получили максимально точные свидетельства того, что все физические свойства протона и его античастицы могут быть абсолютно идентичны друг другу. Хотя речь идет исключительно об одной паре частиц, дискуссии о вопросе ассиметричности материи во Вселенной разгорелись с новой силой.

Осуществив 13 тысяч столкновений при высоких энергиях и обобщив все данные, мы обнаружили, что соотношения массы и заряда для протона и антипротона, а также их прочие физические характеристики равны друг другу с погрешностью, равной 69 частям на триллион. Таковая точность измерений может показаться фантастической, но она всего в 4 раза выше прежних измерений. И все же мы в очередной раз ограничили вероятность того, что нарушение симметричности законов природы имеет место.

Напомним, протон - это элементарная частица, самостоятельно или вместе с нейтроном составляющая основу всех без исключения атомных ядер. Протон относится к барионам, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, и участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. Антипротон же, по всей видимости, отличается только противоположным зарядом.

Считается, что Большой взрыв должен породить равное количество материи и антиматерии, частицы которой аннигилируют, соприкасаясь друг с другом. Следовательно все вещество должно было буквально уничтожить само себя в первые же моменты жизни Вселенной. Однако то, что мы наблюдаем сегодня кардинальном образом отличается от такой модели: мы наблюдаем значительную ассиметричность материи, т.е. преобладание материи над антиматерией. Возникает логичный вопрос: Куда подевалась последняя и почему Вселенная существует до сих пор?

Согласно Стандартной модели, которая наиболее полно и точно описывает микромир из существующих физических теорий, все физические и химические свойства, кроме заряда, частиц и их античастиц должны полностью совпадать. В то же время основная идея наиболее вразумительной теории, объясняющей наблюдаемую ассиметрию, заключается в том, что у пары частица-античастица существуют какие-либо различия, возможно, незначительные, но достаточные для того, чтобы не произошла аннигиляция при их соприкосновении. На протяжении последних нескольких лет физики нашли несколько возможных намеков, что такие различия все же существуют.

Впрочем, результаты работы г-н Ульмера и его коллег из коллаборации BASE фактически ставят крест на подобных предположениях: достигнутая точность их измерений слишком высока. Окончательно разобраться с этим вопросом команда планирует в обозримом будущем, повысив точность измерений до 100 раз, что должно позволить либо безповоротно подтвердить имеющиеся на данный момент заключения либо же найти отличия в особенностях частиц и их противоположно заряженных «близнецов».

Более подробный отчет о работе физиков можно найти в издании Nature.

Антипротон – заряженная элементарная частица, масса которой равна массе протона. Заряд (-4,8 · 10 -10 CGSE) и магнитного момента (-2,793 ядерного магнетону) антипротона равны этим же величинам у протона, но знаком противоположные. Согласно кварковой модели адронов (см. Кварки), антипротон состоит из трех антикварка; двух u-кварков и одного d-кварка.
Антипротон был открыт в лаборатории университета Беркли в 1955 году. Антипротон был впервые обнаружен экспериментально в 1955 Оуэном Чемберленом, Эмилио Сегре, К. Виганд (С. Wiegand) и Т. Ипсилантисом (Т. Ypsilantis) у университета Беркли (По его открытия Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию по физике 1959) на ускорителе протонов с максимальной энергией 6,3 ГэВ. Вследствие сохранения барионного числа рождения антипротона должно сопровождаться рождением протона, поэтому для рождения антипротона необходимо, чтобы суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц, в системе центра масс превышала энергию покоя пары протон-антипротон. Это условие выполнялось на ускорителе в Беркли для столкновения протонов с ядрами мишени. Исследование было поставлено таким образом. Пучок протонов из ускорителя падал на медную мишень, в которой в результате взаимодействия протонов с ядрами меди рождались различные частицы. Магниты отбирали отрицательно заряженные частицы (преимущественно? –мезоны), отклоняя их в направлении черенковских счетчиков, измеряли скорость частиц. Отождествление частицы с антипротонов проводилось по величине ее массы, которая определялась из соотношения между импульсом (измеряемым по отклонению в магнитном поле) и скоростью частицы. В опыте рождалось несколько антипротонов на 10 Ноября столкновений протонов с мишенью.
При отсутствии вещества антипротон, как и протон, с очень высокой степенью точности стабилен. В веществе "время жизни" медленного антипротона определяется скоростью его аннигиляции.
Кулоновская взаимодействие между антипротонами и ядрами может вызывать образование антипротонных атомов – связанных водородоподобных систем (см. Адронный атомы). На малых расстояниях между антипротонов и нуклоном действуют ядерные силы притяжения, которые могут приводить к образованию связанной системы антипротон-нуклон (бариония). В результате сильного (ядерного) взаимодействия между антипротонов и антинуклонамы могут образовываться ядра антивещества, а в результате электромагнитной (кулоновского) взаимодействия между антипротонов и позитроном – атомы антиводорода.
Длительное существование антипротона возможно только при низкой плотности нуклонов – в накопителях заряженных частиц, а также в космическом пространстве.
Наблюдение антипротонов в космических лучах указывает на наличие космических источников антипротонов. Таким источником может быть взаимодействие высокоэнергичных частиц космических лучей с межзвездным веществом. Антипротоны могут рождаться, например, в оболочке пульсара при взаимодействии с ее веществом высокоэнергичных частиц, ускоряются магнитным полем пульсара, а также в окрестности активного ядра Галактики. В связи с превышением наблюдаемого потока космических антипротонов (особенно в области энергий