Античастицы

ГОСКОМВУЗ РФ

НГТУ

Кафедра общей физики

Тема: ”Античастицы”

ФАКУЛЬТЕТ: АВТФ

ГРУППА: А-513

СТУДЕНТ: Ефименко Д. В.

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Усольцева Н.Я.

Новосибирск

1996

Антивещество - материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 году английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. Это следует из общих принципов квантовой теории поля и подтверждается надежными экспериментальными данными.

С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них - частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e ^- , m ^-, t ^- , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа - это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (g, Z⁰), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W ⁺, W ^-) также образуют пары частица - античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав (), антинейтрон — (). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: p ^- - мезон состоит из кварков (), а p ⁺ мезон состоит из кварков (). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки ( например, p⁰,r,h- мезоны, куда входят пары кварков , и ); также мезоны будут истинно нейтральными.

Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их аннигиляция при столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е ^- + е ⁺®g + g. Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е ^- + е ⁺®m ^- + m ⁺. В таких реакциях были открыты “очарованные” и “прелестные” частицы. В аналогичном процессе е ^- + е ⁺®t ^- + t ⁺ открыли тяжелый t - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

Операция замены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так как истинно нейтральные частицы тождественны своим античастицам, то при операции зарядового сопряжения они переходят сами в себя.

В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами. Подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра.

В 1965 году на ускорителе в США был получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития - тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом.

Ведь аннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 10 ¹⁴ Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества.

Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах около 10¹³ К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов ( примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов (10 ^-9) и дало сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.

Откуда же взялся этот избыток? Одна из гипотез предполагает, что в начальном состоянии число частиц и античастиц совпадало, но затем из-за особенностей в динамике их взаимодействия возникла асимметрия.

Аннигиляция — это единственный процесс, в котором исчезает обе начальные частицы и вся их масса полностью переходит, например, в энергию фотонов. Никакая другая реакция, используемая в энергетике, таким свойством не обладает. И при делении урана, и в процессах термоядерного синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть (порядка десятых долей процента) массы покоя частиц, участвующих в реакции. Поэтому аннигиляция антивещества с веществом даёт в тысячу раз больше энергии, чем при делении такогоже количества урана. Если бы в нашем распоряжении была небольшая планетка из антивещества, то все проблемы с энергетическим кризисом сразу отпали. Предположим мы научились бы переводить всю энергию аннигиляции в электрическую. Тогда для того, чтобы обеспечить планету годовым запасом электроэнергии, надо отколоть от планеты и подвергнуть аннигиляции всего лишь 1000-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 1000 килограмм с сотнями миллионов тонн угля и нефти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу!

Сколько энергии выделяется на 1 грамм топлива

1. Аннигиляция вещества и антивещества 10¹⁴ джоулей

2. Деление урана 10¹¹ джоулей

3. Сжигание угля 2,9-10⁴ джоулей

Антивещество было бы идеальным топливом ещё и потому, что оно не загрязняет окружающую среду. После аннигиляции в конечном счёте остаются только фотоны высокой энергии и нейтрино.

Нашу Землю регулярно бомбардирует поток космических лучей — частиц высоких энергий, которые генерируются при различных процессах, происходящих в нашей Галактике. Большую часть этих частиц составляют протоны и ядра гелия.

Но недавно, в 1979 году, в космических лучах были найдены и антипротоны. Об этом сообщили сразу две группы: советские физики из Ленинградского физико-технического института имени А. И. Иоффе и американские учёные из Центра космических полётов имени Л. Джонсона. Позитрон был обнаружен в космических лучах в 1932 году. Такой большой промежуток времени между открытием в космических лучах позитрона и антипротона объясняется тем, что антипротон намного сильнее взаимодействует с веществом, чем позитрон. антипротоны из космоса не успевают дойти до поверхности Земли, они аннигилируют уже в самых верхних слоях атмосферы. Именно поэтому поиск антипротонов в космических лучах представляет собой сложную техническую задачу. Надо поднять детектор как можно выше, к границе атмосферы. Все эксперименты по поиску античастиц в космических лучах были выполнены на аэростатах. Например, в опытах Р. Голдена воздушный шар поднимал на высоту 36 километров примерно 2 тонны аппаратуры.

Но можно ли считать, что эти антипротоны прилетели к нам из Антимира? Вообще говоря, нельзя. В космических лучах есть протоны достаточно высокой энергии, и при столкновении с частицами, например, межзвёздного газа они могут рождать антипротоны в той же самой реакции, что идёт на ускорителях:

Таким образом, сам факт обнаружения антипротонов в космических лучах можно объяснить, не привлекая гипотезы об антимире,

В космических лучах наблюдались обычные ядра многих элементов таблицы Менделеева, вплоть до Урана. Однако ни одного антиядра в космических лучах до сих пор обнаружено не было. Правда пределы, которые были получены в опытах по поиску антиядер ещё не настолько низки, чтобы можно уверенно исключить возможность их существования. Сторонники Антимира считают, что поток ядер антигелия должен быть в 10 раз меньше той величины, которую удалось измерить на сегодняшний день. Предсказываемое значение не слишком мало и в принципе достижимо уже в ближайшем будущем.

Надо сказать, что если бы удалось обнаружить хотя бы одно ядро антигелия, а ещё лучше — антиуглерода, то это бы стало исключительно серьёзным подтверждением гипотезы о существовании Антимира. Дело в том, что вероятность создать антигелий за счет столкновения протонов космических лучей с веществом межзвёздного газа пренебрежимо мала, меньше 10^-11. В то же время если существуют антизвёзды, то в них антиводород должен перегорать в антигелий, а затем в антиуглерод.

Как бы то ни было, антиядер пока не зарегистрировано, хотя с большой уверенностью отрицать их присутствие в космических лучах нельзя.

У нас нет надёжных доказательств того, что какие-либо частицы Антимира прилетают к нам на Землю. Пока мы не наблюдали ни одного антиядра; результаты по измерению потока антипротонов не могут расцениваться как доказательство существования Антимира — слишком много для этого требуется предположений, которые нуждаются в объяснении и проверки. Вместе с тем наши экспериментальные результаты не настолько полны и точны, чтобы совсем закрыть возможность существования Антимира.

Однако данные по космическим лучам могут наложить некоторые ограничения на примесь антивещества в нашей Галактике. Считается, что почти все космические лучи генерируются в процессах, которые происходят “внутри” нашей Галактики. Поэтому доля антивещества, возможно существующего в Галактике, не должна превышать доли антипротонов и антиядер в космических лучах. Известно, что в космических лучах отношение числа антипротонов к числу протонов приблизительно равно 10^-4, а отношение числа ядер антигелия к числу протонов по крайней мере меньше 10^-5.

Отсюда делается вывод: примесь антивещества в Галактике меньше 10^-4 — 10^-5. Это означает, что экспериментальные данные по космическим лучам не противоречат наличию, грубо говоря, одной антизвезды на каждые 10 — 100 тысяч обычных звёзд. Подчеркнём, что такая оценка отнюдь не является доказательства существования антизвёзд. Совершенно неясно, как могли такие антизвёзды образоваться в нашей Галактике.

Свет от антизвезды нельзя отличить от видимого света обычных звёзд. Однако процессы термоядерного синтеза, который обеспечивает “горение” звёзд, идут по-разному для звёзд и антизвёзд. Если в первом случае реакции термоядерного синтеза сопровождаются испусканием нейтрино, например в таких процессах:

То в антизвёздах аналогичные реакции приводят к вылету антинейтрино:

С экспериментальной точки зрения более выгодно искать громадные потоки антинейтрино, которые могут возникать на последней стадии эволюции антизвёзд. Дело в том, что когда звезда исчерпывает все свои запасы термоядерного топлива, она начинает катастрофически быстро сжиматься под действием своих гравитационных сил. Если масса звезды составляет одну-три массы Солнца, то это сжатие продолжается до тех пор, пока электроны не “вдавятся” внутрь атомных ядер, из которых состоит звезда. Пи этом происходит превращение протонов ядер в нейтроны и испускаются нейтрино:

Когда звезда почти целиком будет состоять из нейтронов, сжатие прекратится, так как силы гравитационного притяжения будут уравновешены мощными силами отталкивания, которые происходят между нейтронами. Происходит образование так называемой нейтронной звезды — стабильного объекта с исключительно большой плотностью и малыми размерами. Радиус нейтронной звезды с массой Солнца порядка 10 километров (радиус Солнца порядка 700 000 километров).

Ясно, что при коллапсе антизвезды должны образоваться антинейтроны, и процесс образования антинейтронной звезды будет сопровождаться испусканием антинейтрино:

Поток таких антинейтрино должен быть исключительно велик, ведь при коллапсе практически каждый из громадного числа протонов звезды, превращаясь в нейтрон, даёт одно нейтрино: число антинейтрино » число антипротонов в антизвезде @ 10⁵⁷.

Уже существующие нейтринные телескопы могут зарегистрировать возникновение такой колоссальной нейтринной вспышки, если она произошла в нашей Галактике.

Используемая литература:

1. Физическая энциклопедия т.1 М.: 1990.

2. М. Саплжников “Антимир реальность?” М.: 1983

3. Власов Н. А. “Антивещество” М.: 1960