Новини зірок
Війна частинок та античастинок. Війна частинок та античастинок: що таке антиматерія На антиматерії до зірок
Насправді твердження у тому, що взаємодія частинок і античастиць незмінно тягне у себе народження фотонів, невірно навіть стосовно електронів і позитронам. Вільна електронно-позитронна пара анігілює з утворенням електромагнітних квантів лише в тому випадку, якщо її енергія не надто велика. Дуже швидкі електрони та позитрони здатні породжувати позитивні та негативні пі-мезони (вони ж півонії), плюс-і мінус-мюони, протони та антипротони, і навіть ще важчі частки – вистачило б тільки енергії. Повільні протони та антипротони при анігіляції дають початок зарядженим та нейтральним півонії (а швидкі – та іншим часткам), які розпадаються – на гамма-кванти, мюони та нейтрино. В принципі, зіткнення частинки та її антикопії може дати на виході будь-яку з комбінацій частинок, які не заборонені принципами симетрії та законами збереження. |
Може здатися, що анігіляція нічим не відрізняється від інших міжчасткових взаємодій, проте одна важлива особливість у неї є. Щоб стабільні частки, такі як протони або електрони, при зустрічі породили зливу з екзотичних мешканців мікросвіту, їх потрібно розігнати. Повільні протони під час зустрічі просто змінять свою швидкість - цим і закінчиться. А ось протон і антипротон, зблизившись, або зазнають пружного розсіювання і розійдуться, або анігілюють і зроблять світ вторинні частинки.
Все вищеописане відноситься до анігіляції вільних частинок. Якщо хоча б одна з них входить до складу квантової системи, в принципі ситуація залишається незмінною, але альтернативи змінюються. Наприклад, анігіляція вільного електрона та вільного позитрону ніколи не може породити всього один квант – не дозволяє закон збереження імпульсу. Це найлегше побачити, якщо працювати в системі центру інерції пари, що стикається, - тоді початковий імпульс дорівнюватиме нулю і тому ніяк не зможе збігтися з імпульсом одиничного фотона, куди б той не полетів. Якщо ж позитрон зустрінеться з електроном, що входить, скажімо, до складу атома водню, можлива й однофотонна анігіляція - у цьому випадку частина імпульсу передасться атомному ядру.
Як щодо антигра?
Англійський фізик Артур Шустер вважав, що антиматерія гравітаційно відштовхується від звичайної матерії, але сучасна наука вважає це малоймовірним. З загальних принципів симетрії законів мікросвіту випливає, що античастинки повинні притягуватися один до одного силами тяжіння, подібно частинкам без приставки "анти". Питання про те, яка гравітаційна взаємодія частинок і античастинок, до кінця ще не вирішена, проте відповідь на неї майже очевидна.
Спочатку звернемося до ейнштейнівської загальної теорії відносності. Вона заснована на принципі суворої рівності гравітаційної та інертної мас, причому для звичайної речовини це твердження експериментально підтверджено безліччю найточніших вимірів. Оскільки інертна маса частки точно дорівнює масі її античастинки, видається дуже ймовірним, що їх гравітаційні маси теж рівні. Однак це все ж таки припущення, нехай і дуже правдоподібне, і засобами ВТО воно недоведене.
 |
Це реєстрація випромінювання з енергією, характерною для анігіляції, або безпосередньо реєстрація античастинок за масою та зарядом. Оскільки антипротони та ядра антигелію не можуть пролетіти крізь атмосферу, їх реєстрація можлива лише за допомогою інструментів, піднятих у високі шари атмосфери на аеростатах, або орбітальних інструментів, таких як магнітний альфа-спектрометр AMS-01, доставлений на станцію "Мир9" , або його значно вдосконалений побратим AMS-02 (на фотографії), який розпочне свою роботу на МКС. |
ОСНОВНІ ШЛЯХИ ПОШУКУ АНТИМАТЕРІЇ |
Ще один аргумент проти гравітаційного відштовхування між речовиною та антиречовиною випливає з квантової механіки. Згадаймо, що адрони (частки, що беруть участь у сильних взаємодіях) складені з кварків, склеєних глюонними зв'язками. До складу кожного баріону входять три кварки, тоді як мезони складаються з парних комбінацій кварків і антикварків, причому не завжди одних і тих же (мезон, до складу якого входять кварк та його власний антикварк, є істинно нейтральною часткою в тому сенсі, що він повністю тотожний своєму антимезону). Однак ці кваркові структури не можна вважати абсолютно стабільними. Протон, наприклад, скомпонований з двох u-кварків, кожен з яких несе елементарний електричний заряд +2/3, і одного d-кварка із зарядом -1/3 (тому заряд протона дорівнює +1). Однак ці кварки внаслідок взаємодії з глюонами можуть на дуже короткий час змінювати свою природу – зокрема, перетворюватися на антикварки. Якщо частинки та античастинки гравітаційно відштовхуються, вага протона (а також, природно, нейтрона) має давати слабкі осциляції. Однак досі в жодній лабораторії такого ефекту не виявили.
Можна не сумніватися, що колись на це питання відповість Його Величність Експеримент. Потрібно трохи - накопичити більше антиречовини і подивитися, як воно поведеться в полі земного тяжіння. Однак технічно ці виміри неймовірно складні, і важко передбачити, коли їх вдасться здійснити.
ТАК У ЧОМУ РОЗДРІБ?
Після відкриття позитрона протягом чверті століття майже всі фізики були впевнені, що природа не бачить відмінностей між частинками та античастинками. Конкретніше, вважалося, що будь-якому фізичному процесу за участю частинок відповідає такий самий процес за участю античастинок і здійснюються вони обидва з однаковою ймовірністю. Готівкові експериментальні дані свідчили, що цей принцип дотримується всіх чотирьох фундаментальних взаємодій - сильного, електромагнітного, слабкого і гравітаційного.
А потім якось одразу все різко змінилося. У 1956 році американські фізики Лі Дзундао та Янг Дженьнін опублікували удостоєну Нобелівської премії роботу, в якій вони обговорювали труднощі, пов'язані з тим, що дві, здавалося б, однакові частинки, тета-мезон і тау-мезон, розпадаються на різну кількість півонії. Автори підкреслили, що цю проблему можна вирішити, якщо припустити, що такі розпади пов'язані з процесами, характер яких змінюється при переході від правого до кльового, інакше кажучи, при дзеркальному відображенні (трохи пізніше фізики зрозуміли, що в загальному вигляді потрібно говорити про відображення в кожної з трьох координатних площин - або, що те саме, про зміну знаків всіх просторових координат, просторової інверсії). Це означає, що дзеркально відбитий процес може бути під забороною або відбуватися з іншою ймовірністю, ніж до відображення. Роком пізніше американські експериментатори (що належать двом незалежним групам і працювали різними методами) підтвердили, що такі процеси справді існують.
Це був лише початок. Тоді ж фізики-теоретики з СРСР та США усвідомили, що порушення дзеркальної симетрії уможливлює і порушення симетрії щодо заміни частинок на античастинки, що теж було неодноразово доведено в експериментах. Варто зазначити, що незадовго до Лі та Янга, але все в тому ж 1956 можливість порушення дзеркальної симетрії обговорювали фізик-експериментатор Мартін Блок і великий теоретик Річард фейнман, але вони так і не опублікували цих міркувань.
 |
Під час однієї з останніх місій шатлів (STS-134) у 2010 році на МКС буде доставлено новий науковий прилад – магнітний альфа-спектрометр (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer). Його прототип AMS-01 було доставлено на борт космічної станції "Мир" у 1998 році та підтвердив працездатність копцепції. Основною метою наукової програми буде вивчення та вимірювання з високою точністю складу космічних променів, а також пошук екзотичних форм матерії – темної матерії, дивної матерії (часток, у складі яких є дивні (s) кварки), а також антиматерії – зокрема, ядер антигелію . |
AMS НА МКС |
Фізики зазвичай позначають дзеркальне відображення латинської літерою Р, а заміну частинок з їхньої античастинки - літерою З. Обидві симетрії порушуються лише у процесах з участю слабкої взаємодії, тієї самої, що відповідає за бета-розпад атомних ядер. Звідси випливає, що завдяки слабким взаємодіям існують відмінності у поведінці частинок і античастинок.
Дивне порушення дзеркальної симетрії викликало до життя спроби чимось її компенсувати. Вже в 1956 році Лі і Янг і незалежно від них Лев Ландау припустили, що природа не робить відмінностей між системами, що виходять один з одного спільним застосуванням перетворень С і Р (так звана СР-симетрія). З погляду теорії ця гіпотеза виглядала дуже переконливою і до того ж добре лягала на експериментальні дані. Проте лише через вісім років співробітники Брукхейвенської національної лабораторії виявили, що один із незаряджених К-мезонів (або, як їх ще називають, каонів) може розпадатись на півонію. При строгому дотриманні CP-симетрії таке перетворення неможливе - отже, ця симетрія не універсальна! Щоправда, частка начебто заборонених розпадів не перевищувала 0,2%, але вони все ж таки мали місце! Це відкриття принесло керівникам брукхейвенської команди Джеймсу Кроніну та Велу Фітчу Нобелівську премію з фізики.
СИМЕТРІЯ ТА АНТИМАТЕРІЯ
Порушення CP-симетрії безпосередньо пов'язані з відмінністю матерії від антиматерії. Наприкінці 1990-х років у ЦЕРН провели дуже гарний експеримент із нейтральними каонами К 0 , кожен з яких складається з d-кварку та більш масивного дивного антикварка. Закони природи дозволяють антикварку втратити частину енергії та перетворитися на анти-d. Енергія, що вивільнилася, може поїти на розпад каона, проте не виключено, що сусідній d-кварк поглине її і перетвориться на дивний кварк. Внаслідок цього виникне частка, що складається з анти-d-кварку та дивного кварку, тобто нейтральний антикаон. Формально це перетворення можна описати як наслідок застосування до каону СР-перетворення!
Таким чином, якщо CP-симетрія дотримується абсолютно строго, то нейтральні каони К 0 переходять у свої античастинки з такою ж ймовірністю, з якою ті зазнають зворотних перетворень. Будь-яке порушення CP-симетрії спричинить зміну однієї з цих ймовірностей. Якщо приготувати пучок з рівного числа нейтральних каонів та антикаонів і простежити динаміку концентрації тих та інших частинок, можна з'ясувати, чи поважають їх квантові осциляції СР-симтрію.
Саме це і зробили фізики із ЦЕРН. Вони з'ясували, що нейтральні антикаони стають каонами трохи швидше, ніж перетворюються на антикаони. Інакше кажучи, було виявлено процес, у ході якого антиматерія перетворюється на матерію швидше, ніж матерія – на антиматерію! У суміші з спочатку рівними частками речовини і антиречовини з часом утворюється нехай невеликий, але все ж таки, що піддається виміру надлишок речовини. Такий же ефект був виявлений в експериментах і з іншими важкими нейтральними частинками - D 0 -мезонами та 0 -мезонами.
Таким чином, до кінця XX століття експериментатори переконливо довели, що слабкі взаємодії по-різному впливають на частинки та античастинки. Хоча ці відмінності власними силами дуже малі і виявляються лише під час деяких перетворень дуже екзотичних частинок, всі вони цілком реальні. Це означає наявність фізичної асиметрії між матерією і антиматерією.
Для повноти картини варто зазначити ще одну обставину. У 1950-х роках було доведено найважливіше становище релятивістської квантової механіки – СРТ-теорема. Вона говорить, що частки і античастинки суворо симетричні стосовно CP-перетворення, за яким слідує звернення часу (власне кажучи, ця теорема вірна лише без урахування гравітації, інакше питання залишається відкритим). Отже, якщо в якихось процесах не дотримується CP-симетрія, їхня швидкість у "прямому" та "зворотному" напрямках (що вважати тим і іншим, звичайно, питання угоди) має бути неоднаковою. Саме це й довели експерименти у ЦЕРН із нейтральними каонами.
ДЕ Ж АНТИМИРИ?
У 1933 році Поль Дірак був упевнений, що у нашому Всесвіті існують цілі острови антиречовини, про що й згадав у своїй нобелівській лекції. Однак сучасні вчені вважають, що таких островів немає ні в нашій Галактиці, ні за її межами. Звісно, антиматерія як така існує. Античастинки породжуються багатьма високоенергетичними процесами – скажімо, термоядерним горінням зіркового палива та вибухами наднових зірок. Вони виникають у хмарах замагніченої плазми, що оточують нейтронні зірки та чорні дірки, під час зіткнень швидких космічних частинок у міжзоряному просторі, під час бомбардування земної атмосфери космічними променями та, нарешті, в експериментах на прискорювачах. Крім того, розпад деяких радіонуклідів супроводжується утворенням античасток – а саме позитронів. Але все це лише античастинки, а аж ніяк не антиречовина. Досі нікому не вдалося виявити навіть космічний антигелій, не кажучи вже про важчі елементи. Не увінчався успіхом і пошук гамма-випромінювання зі специфічним спектром, зумовленого анігіляцією на межах космічних скупчень матерії та антиматерії.
СВІТ ЧИ АНТИМИР? |
Уявімо, що ми летимо на міжзоряному кораблі, який наближається до планети з розумним життям. Як дізнатися, з чого зроблені наші брати по розуму – з речовини чи антиречовини? Можна відправити розвідувальний зонд, але якщо він вибухне в атмосфері, нас можуть порахувати за космічних агресорів, як у фантастичному романі Кшиштофа Боруня "Антисвіт". Цього можна уникнути за допомогою тих же нейтральних каонів і антикаонів. Як мовилося раніше, вони здатні як перетворюватися друг на друга, а й розпадатися, причому різними способами. У подібних розпадах можуть народжуватися нейтрино у супроводі або позитивних півонії та електронів, або негативних півонії і позитронів. |
СВІТ ЧИ АНТИМИР? |
У науковій літературі періодично з'являються повідомлення про відкриття первинних нестандартних джерел космічних античастинок незрозумілого походження. У квітні 2009 року були опубліковані дані про загадковий надлишок надзвичайно швидких позитронів, зареєстрований детекторним комплексом PAMELA. Ця апаратура розміщена на борту російського супутника "Ресурс-ДК", 15 червня 2006 відправленого на навколоземну орбіту з космодрому Байконур. Деякі експерти інтерпретували цей результат як можливе свідчення анігіляції гіпотетичних частинок темної матерії, але незабаром з'явилося не таке екзотичне пояснення. Цю гіпотезу прокоментував для відомий фахівець з космічних променів Веніамін Березинський з Національної лабораторії Гран-Сассо, що входить до складу італійського Національного інституту ядерної фізики: "Стандартна модель народження галактичних космічних променів лежать на трьох положеннях. Першим і основним джерелом. ідея - частки прискорюються до ультрарелятивістських швидкостей на фронтах після вибухових ударних хвиль, причому в цьому прискоренні дуже велика роль їх власного магнітного поля.Третє положення полягає в тому, що космічні промені поширюються дифузійно. , що надлишок позитронів, виявлений комплексом PAMELA, цілком узгоджується з цією моделлю. ється з утворенням позитронів та нейтрино. Згідно з обчисленнями Блазі, цей процес може дати саме таку концентрацію позитронів, яку виявила PAMELA. Подібний механізм генерації позитронів виглядає абсолютно природно, проте чомусь досі він нікому не спадав на думку. Блазі показав також, що ці самі процеси повинні генерувати і надлишкові антипротони. Однак поперечний переріз їх народження набагато менше відповідної величини для позитронів, через що їх можна зареєструвати лише при вищих енергіях. Думаю, що згодом це стане можливим”.
Загалом, поки що все говорить за те, що в космосі немає ні антизірок, ні антипланет, ні навіть найменших антиметеорів. З іншого боку, загальноприйняті моделі Великого вибуху стверджують, що невдовзі після народження наш Всесвіт містив однакову кількість частинок та античастинок. То чому перші збереглися, а другі зникли?
Гіпотеза про античастинку вперше виникла в 1928 р., коли П. Дірак на основі релятивістського хвильового рівняння передбачив існування позитрона (див. § 263), виявленого через чотири роки К. Андерсоном у складі космічного випромінювання.
Електрон і позитрон є єдиною парою частка - античастка. На основі релятивістської квантової теорії дійшли висновку, що для кожної елементарної частки має існувати античастка (принцип зарядового сполучення). Експерименти показують, що за небагатьом винятком (наприклад, фотона і p 0 -мезона) дійсно кожній частинці відповідає античастка.
Із загальних положень квантової теорії випливає, що частинки та античастинки повинні мати однакові маси, однакові часи життя у вакуумі, однакові за модулем, але протилежні за знаком електричні заряди (і магнітні моменти), однакові спини та ізотопічні спини, а також однакові інші квантові числа , що приписуються елементарним часткам для опису закономірностей їх взаємодії (лептонне число (див. § 275), баріонне число (див. § 275), дивина (див. § 274), чарівність (див. § 275) і т.д.). До 1956 р. вважалося, що є повна симетрія між частинками і античастинками, тобто якщо якийсь процес йде між частинками, то повинен існувати такий самий (з тими ж характеристиками) процес між античастинками. Однак у 1956 р. доведено, що подібна симетрія характерна тільки для сильної та електромагнітної взаємодій і порушується для слабкого.
Згідно з теорією Дірака, зіткнення частинки та античастинки повинно призводити до їх взаємної анігіляції, в результаті якої виникають інші елементарні частинки або фотони. Прикладом є розглянута реакція (263.3) анігіляції пари електрон - позитрон (-1 0 е+ + 1 0 е® 2g).
Після того, як передбачене теоретично існування позитрону було підтверджено експериментально, постало питання про існування антипротону та антинейтрону. Розрахунки показують, що для створення пари частка - античастка треба витратити енергію, що перевищує подвоєну енергію спокою пари, оскільки частинкам необхідно повідомити дуже значну кінетичну енергію. Для створення р - р-пари необхідна енергія приблизно 4,4 ГеВ. Антипротон був дійсно виявлений експериментально (1955) при розсіянні протонів (прискорених на великій ем у той час синхрофазотроне Каліфорнійського університету) на нуклонах ядер мішені (мішенню служила мідь), в результаті якого народжувалась пара р - р̃.
Антипротон відрізняється від протона знаками електричного заряду та власного магнітного моменту. Антипротон може анігілювати не тільки з протоном, але і з нейтроном:
(273.1) (273.2) (273.3)
Роком пізніше (1956) на тому ж прискорювачі вдалося отримати антинейтрон (ñ) та здійснити його анігіляцію. Антинейтрони виникали в результаті перезарядки антипротонів при їх русі через речовину. Реакція перезарядки полягає в обміні зарядів між нуклоном і антинуклоном і може протікати за схемами
(273.4) (273.5)
Антинейтрон ñ відрізняється від нейтрона nзнаком власного магнітного моменту. Якщо антипротони - стабільні частинки, то вільний антинейтрон, якщо він не відчуває анігіляції, зрештою зазнає розпаду за схемою
Античастинки були знайдені також для p+-мезону, каонів та гіперонів (див. § 274). Проте існують частки, які античастинок немає, - це звані істинно нейтральні частки. До них відносяться фотон, p°-мезон і η-мезон (його маса дорівнює 1074m e час життя 7×10 -19 с; розпадається з утворенням p-мезонів і γ-квантів). Істинно нейтральні частинки не здатні до анігіляції, але зазнають взаємних перетворень, що є фундаментальною властивістю всіх елементарних частинок. Можна сказати, що кожна з істинно нейтральних частинок тотожна зі своєю античастинкою.
Великий інтерес і серйозні труднощі становили доказ існування антинейтрино і відповідь питання, чи є нейтрино і антинейтрино тотожними чи різними частинками. Використовуючи потужні потоки антинейтрино, одержувані в реакторах (уламки поділу важких ядер відчувають β-розпад і, згідно (258.1), випромінюють антинейтрино), американські фізики Ф. Рейнес та К. Коуен (1956) надійно зафіксували реакцію захоплення електронного антинейтрино протоном
Аналогічно зафіксовано реакцію захоплення електронного нейтрино нейтроном:
Таким чином, реакції (273.6) та (273.7) з'явилися, з одного боку, безперечним доказом того, що v eта ṽ e, - Реальні частки, а не фіктивні поняття, введені лише для пояснення β-розпаду, а з іншого - підтвердили висновок про те, що v eта ṽ e- Різні частинки.
Надалі експерименти з народження та поглинання мюонних нейтрино показали, що і v mі m - різні частинки. Також доведено, що пара v e, v m- різні частинки, а пара v e, ṽ eне тотожна парі v m, ṽ m Згідно ідеї Б. М. Понтекорво (див. § 271), здійснювалася реакція захоплення мюонного нейтрино (виходили при розпаді p + ® m + + v m (271.1)) нейтронами і спостерігалися частки, що виникають. Виявилося, що реакція (273.7) не йде, а захоплення відбувається за схемою
тобто замість електронів у реакції народжувалися m-мюони. Це і підтверджувало різницю між v eта v m
За сучасними уявленнями, нейтрино і антинейтрино відрізняються одна від одної однією з квантових характеристик стану елементарної частинки - спральністю, що визначається як проекція спина частинки на напрямок її руху (на імпульс). Для пояснення експериментальних даних припускають, що у нейтрино спин s орієнтований антипаралельно імпульсу р, тобто напрямки р і s утворюють лівий гвинт і нейтрино має ліву спірали (рис. 349, а). У антинейтрино напрями р і s утворюють правий гвинт, тобто антинейтрино має праву спро- б).Це властивість справедливо однаково як електронного, так мюонного нейтрино (антинейтрино).
Для того щоб спіральність могла бути використана як характеристика нейтрино (антинейтрино), маса нейтрино повинна прийматися рівною нулю. Введення спіральності дозволило пояснити, наприклад, порушення закону збереження парності (див. § 274) при слабких взаємодіях, що спричиняють розпад елементарних частинок та β-розпад. Так, m - мюону приписують праву спіральність, m + - мюону - ліву.
Після відкриття настільки великої кількості античастинок виникло нове завдання - знайти антиядра, іншими словами, довести існування антиречовини, яка побудована з античастинок, так само як речовина з частинок. Антіядра справді було виявлено. Перше антиядро - антидейтрон (пов'язаний стан р і ñ - було отримано в 1965 р. групою американських фізиків під керівництвом Л. Ледермана. Згодом на Серпуховському прискорювачі були синтезовані ядра антигелія (1970) і антитритію (1973).
Слід, однак, відзначити, що можливість анігіляції при зустрічі з частинками не дозволяє античастинкам тривалий час існувати серед частинок. Тому для стійкого стану антиречовини воно має бути від речовини ізольовано. Якби поблизу відомої нам частини Всесвіту існувало скупчення антиречовини, то мало б спостерігатися потужне анігіляційне випромінювання (вибухи з виділенням величезних кількостей енергії). Однак поки що астрофізики нічого подібного не зареєстрували. Дослідження, що проводяться для пошуку антиядер (зрештою антиматерії), і досягнуті в цьому напрямку перші успіхи мають фундаментальне значення для подальшого пізнання будови речовини.
- Двійники звичайних елементарних частинок, які відрізняються від останніх знаком електричного заряду та знаками деяких інших характеристик. У частки та античастинки збігаються маси, спини, часи життя. Якщо частка характеризується й іншими внутрішніми квантовими характеристиками, що мають знак, то в античастинки величини цих характеристик ті самі, але протилежні знаки. Якщо частка нестабільна (зазнає розпаду), то нестабільна і античастка, причому часи життя у них збігаються і збігаються способи розпаду (з точністю до заміни в схемах розпаду часток на античастинки).
Звичайна речовина складається з протонів (р), нейтронів (n) та електронів (е-). Антиречовина складається з їх античастинок – антипротонів (), антинейтронів () та антиелектронів (позитронів е+). Вибір того, які частинки вважати частинками, які античастинками, умовний і визначається міркуваннями зручності. Античастинкою античастинки є частка. При зіткненні частка і античастка зникають (анігілюють), перетворюючись на гамма-кванти.
У деяких випадках (наприклад, фотон або π 0 -мезон та ін) частка і античастка повністю збігаються. Це з тим, що фотон і π 0 -мезон немає електричного заряду та інших внутрішніх характеристик зі знаком.
| Характеристика | Частка | Античастка |
|---|---|---|
| Маса | M | M |
| Електричний заряд | +(-)Q | -(+)Q |
| Спін | J | J |
| Магнітний момент | +(-)μ | -(+)μ |
| Баріонне число | +B | -B |
| Лептонна кількість | +L e , +L μ , +L τ | -L e , -L μ , -L τ |
| Дивина | +(-)s | -(+)s |
| Чарівність (Charm) | +(-)c | -(+)c |
| Bottomness | +(-)b | -(+)b |
| Topness | +(-)t | -(+)t |
| Ізоспін | I | I |
| Проекція ізоспину | +(-)I 3 | -(+)I 3 |
| Парність | +(-) | -(+) |
| Час життя | T | T |
|
Схема розпаду |
 |
Зарядово пов'язана  |
Антиречовина складається з античасток - антипротонів, антинейтронів і антиелектронів-позитронів е+. Частинки та античастинки рівноправні. Вибір того, які частинки вважати частинками, які античастинками, умовний і визначається міркуваннями зручності. У спостерігається частина Всесвіту речовина складається з негативно заряджених електронів, позитивно заряджених протонів і нейтронів.
При зіткненні електрона та позитрону вони зникають (анігілюють), перетворюючись на гамма-кванти. При анігіляції сильновзаємодіючих частинок, наприклад, протону і антипротону, утворюється кілька мезонів π + , π - , π 0 , K + , K - , K 0 .
Антивещество – матерія, побудована з античасток. Існування античастинок було вперше передбачено у 1930 році англійським фізиком П. Діраком. З рівняння Дірака для релятивістського електрона випливало друге рішення для його двійника, що має ту ж масу і позитивний електричний заряд. У той же час була відома лише одна позитивно заряджена частка - протон, який різко відрізнявся за своїми властивостями від електрона. Теоретики стали вигадувати хитромудрі пояснення цих відмінностей, але невдовзі з'ясувалося, що протон немає нічого спільного з часткою, передбаченою Діраком. У 1932 році позитивно заряджені позитрони виявив у космічних променях американський фізик К. Андерсон. Це відкриття стало блискучим підтвердженням теорії Дірака.
У 1955 році на новому прискорювачі в Берклі Е. Сегре, О. Чемберлен та інші виявили антипротони, народжені у зіткненні протонів з ядрами мідної мішені. До цього протон з негативним зарядом довго і безуспішно розшукувався у космічних променях. У 1956 році було відкрито й антинейтрон. Зараз відомо вже безліч частинок, і майже всім їм відповідають античастинки.
Частинки та античастинки мають однакову масу, час життя, спин, але розрізняються знаками всіх зарядів: електричного, баріонного, лептонного тощо. буд. Це випливає із загальних принципів квантової теорії поля та підтверджується надійними експериментальними даними.
З сучасного погляду елементарні частки розбиваються на дві групи. Перша їх - частинки з напівцілим спином: заряджені лептони e - , m - , t - , відповідні їм нейтрино і кварки u, d, c, b, t. Всі ці частинки мають і античастинки. Інша група - це кванти полів із цілим спином, що переносять взаємодії: фотон, проміжні бозони слабких взаємодій, глюони сильних взаємодій. Деякі їх істинно нейтральні (g , Z 0), тобто їх квантові числа рівні нулю і вони ідентичні своїм античастинкам; інші (W + , W -) також утворюють пари частка - античастка. Легко тепер побачити, що всі баріони, що складаються із трьох кварків, повинні мати античастинки, наприклад: нейтрон має склад (), антинейтрон – (). Мезони складаються з кварку та антикварка і, взагалі кажучи, також мають античастинки, наприклад: p - - мезон складається з кварків (), а p + мезон складається з кварків (). У той же час є мезони, симетричні щодо заміни кварків на антикварки (наприклад, p 0 , r , h - мезони, куди входять пари кварків і); також мезони будуть істинно нейтральними.
Характерна особливість поведінки частинок та античасток – їх анігіляція при зіткненні. Ще Дірак передбачив процес анігіляції електронів і позитронів у фотони: е - + е + ® g + g. Процеси анігіляції йдуть, зрозуміло, зі збереженням енергії, імпульсу, електричного заряду і т. п. У цьому можуть народжуватися як фотони, а й інші частки; очевидно, що внаслідок законів збереження різних зарядів одночасно народжуються і відповідні античастинки, як, наприклад, реакції анігіляції електрона і позитрона в пару мюонів: е - + е + ® m - + m + . У таких реакціях були відкриті “зачаровані” та “чарівні” частки. В аналогічному процесі е - + е + ® t - + t + відкрили важкий t - лептон. В останні роки процес анігіляції все частіше використовується як один із найдосконаліших методів дослідження мікросвіту.
Операція заміни частинок на античастинки отримала назву зарядового сполучення. Так як істинно нейтральні частинки тотожні своїм античастинкам, то при операції зарядового сполучення вони переходять самі в себе.
У сильних та електромагнітних взаємодіях є повна симетрія між частинками та античастинками: якщо можливий якийсь процес із частинками, то можливий і має ті ж характеристики аналогічний процес із відповідними античастинками. Подібно до того, як протони і нейтрони завдяки сильній взаємодії зв'язуються в ядра, з відповідних античасток утворюватимуться антиядра.
У 1965 році на прискорювачі в США було отримано антидейтрон. У 1969 році в Протвіно на прискорювачі Інституту фізики високих енергій радянські фізики відкрили ядра антигелію-3, що складаються з двох антипротонів та антинейтрону. Потім були відкриті і ядра антитритію - важкого антиводню, що складаються з одного антипротону та двох антинейтронів. У принципі можна уявити і антиатоми, і навіть великі скупчення антиречовини. Свідченням присутності антиречовини у Всесвіті було потужне анігіляційне випромінювання, що надходить із областей дотику речовини з антиречовиною.
Адже анігіляція лише 1 грама речовини та антиречовини призводить до виділення 10 14 Дж енергії, що еквівалентно вибуху середньої атомної бомби в 10 кілотонн. Проте астрофізика таких даних наразі немає, і навіть у космічних променях антипротони зустрічаються досить рідко. Зараз вже практично немає сумнівів, що Всесвіт в основному складається із звичайної речовини.
Але так не завжди. На ранній стадії розвитку Всесвіту при дуже високих температурах близько 10 13 К кількість часток і античастинок майже збігалося: на велику кількість антипротонів (приблизно на кожні кілька мільярдів) припадало стільки ж протонів і ще один зайвий протон. Надалі при охолодженні Всесвіту всі частинки та античастинки проанігілювали, породивши зрештою фотони, а з нікчемного в минулому надлишку частинок виникло все, що нас тепер оточує. Анігіляційні фотони поступово охолоджуючись дожили до наших днів у вигляді реліктового випромінювання. Відношення сучасної густини протонів до густини реліктових фотонів (10 -9) і дало відомості про величину надлишку частинок над античастинками в минулому. Якби цього надлишку не було, то відбулася б повна взаємна анігіляція частинок і античастинок і в результаті виник би досить сумний Всесвіт, заповнений холодним фотонним газом.
Звідки ж узявся цей надлишок? Одна з гіпотез припускає, що в початковому стані число частинок і античасток збігалося, але потім через особливості динаміки їх взаємодії виникла асиметрія.
Анігіляція - це єдиний процес, в якому зникає обидві початкові частки і вся їхня маса повністю переходить, наприклад, в енергію фотонів. Жодна інша реакція, яка використовується в енергетиці, такою властивістю не має. І при розподілі урану, і в процесах термоядерного синтезу в енергію перетворюється лише невелика частина (близько десятих часток відсотка) маси спокою частинок, що беруть участь у реакції. Тому анігіляція антиречовини з речовиною дає в тисячу разів більше енергії, ніж при розподілі такої кількості урану. Якби в нашому розпорядженні була невелика планета з антиречовини, всі проблеми з енергетичною кризою відразу відпали. Припустимо, ми навчилися б переводити всю енергію анігіляції в електричну. Тоді для того, щоб забезпечити планету річним запасом електроенергії, треба відколоти від планети і піддати анігіляції лише 1000-кілограмовий шматок антиречовини. Порівняйте ці 1000 кілограм із сотнями мільйонів тонн вугілля та нафти, які ми видобуваємо щорічно, щоб вирішити те саме завдання!
Скільки енергії виділяється на 1 грам палива
1. Анігіляція речовини та антиречовини 10 14 джоулів
2. Розподіл урану 10 11 джоулів
3. Спалювання вугілля 2,9 ž 10 4 джоулів
Антивещество було б ідеальним паливом ще й тому, що воно не забруднює довкілля. Після анігіляції в кінцевому рахунку залишаються лише фотони високої енергії та нейтрино.
Нашу Землю регулярно бомбардує потік космічних променів - частинок високих енергій, які генеруються за різних процесів, які у нашій Галактиці. Більшість цих частинок становлять протони і ядра гелію.
Але нещодавно, 1979 року, у космічних променях було знайдено й антипротони. Про це повідомили одразу дві групи: радянські фізики з Ленінградського фізико-технічного інституту імені А. І. Іоффе та американські вчені з Центру космічних польотів імені Л. Джонсона. Позитрон був виявлений у космічних променях у 1932 році. Такий великий проміжок часу між відкриттям у космічних променях позитрону та антипротону пояснюється тим, що антипротон набагато сильніше взаємодіє з речовиною, ніж позитрон. антипротони з космосу не встигають дійти до поверхні Землі, вони анігілюють вже у верхніх шарах атмосфери. Саме тому пошук антипротонів у космічних променях є складним технічним завданням. Потрібно підняти детектор якомога вище, до межі атмосфери. Усі експерименти з пошуку античастинок у космічних променях були виконані на аеростатах. Наприклад, у дослідах Р. Голдена повітряна куля піднімала на висоту 36 кілометрів приблизно 2 тонни апаратури.
Але чи можна вважати, що ці антипротони прилетіли до нас із Антисвіту? Загалом кажучи, не можна. У космічних променях є протони досить високої енергії, і при зіткненні з частинками, наприклад, міжзоряного газу вони можуть народжувати антипротони в тій же реакції, що йде на прискорювачах:
Таким чином, сам факт виявлення антипротонів у космічних променях можна пояснити, не залучаючи гіпотези про антисвіт,
У космічних променях спостерігалися звичайні ядра багатьох елементів таблиці Менделєєва, до Урана. Однак жодного антиядра в космічних променях досі не було виявлено. Правда межі, які були отримані в дослідах щодо пошуку антиядерів ще не настільки низькі, щоб можна впевнено виключити можливість їх існування. Прихильники Антимиру вважають, що потік ядер антигелію має бути в 10 разів меншим від тієї величини, яку вдалося виміряти на сьогоднішній день. Передбачуване значення не надто мало і в принципі можна досягти вже в найближчому майбутньому.
Треба сказати, що якби вдалося виявити хоча б одне ядро антигелія, а ще краще - антивуглецю, то це стало б виключно серйозним підтвердженням гіпотези про існування Антисвіту. Справа в тому, що можливість створити антигелій за рахунок зіткнення протонів космічних променів з речовиною міжзоряного газу дуже мала, менше 10 -11 . У той же час, якщо існують антизірки, то в них антиводень повинен перегоряти в антигелій, а потім в антивуглець.
Як би там не було, антиядер поки не зареєстровано, хоча з великою впевненістю заперечувати їхню присутність у космічних променях не можна.
Ми не маємо надійних доказів того, що якісь частки Антисвіту прилітають до нас на Землю. Поки що ми не спостерігали жодного антиядра; Результати вимірювання потоку антипротонів не можуть розцінюватися як доказ існування Антисвіту - занадто багато для цього потрібно припущень, які потребують пояснення та перевірки. Разом з тим, наші експериментальні результати не настільки повні і точні, щоб зовсім закрити можливість існування Антисвіту.
Однак дані про космічне проміння можуть накласти деякі обмеження на домішку антиречовини в нашій Галактиці. Вважається, що майже всі космічні промені генеруються в процесах, що відбуваються усередині нашої Галактики. Тому частка антиречовини, можливо існуючого в Галактиці, не повинна перевищувати частки антипротонів та антиядер у космічних променях. Відомо, що в космічних променях відношення числа антипротонів до протонів приблизно дорівнює 10 -4 , а відношення числа ядер антигелію до протонів принаймні менше 10 -5 .
Звідси робиться висновок: домішка антиречовини в Галактиці менше 10 -4 - 10 -5. Це означає, що експериментальні дані щодо космічних променів не суперечать наявності, грубо кажучи, однієї антизірки на кожні 10 – 100 тисяч звичайних зірок. Наголосимо, що така оцінка аж ніяк не є доказом існування антизірок. Цілком неясно, як могли такі антизірки утворитися в нашій Галактиці.
Світло від антизірки не можна від видимого світла звичайних зірок. Однак процеси термоядерного синтезу, що забезпечує “горіння” зірок, йдуть по-різному для зірок та антизірок. Якщо в першому випадку реакції термоядерного синтезу супроводжуються нейтрино випусканням, наприклад в таких процесах:
То в антизірках аналогічні реакції призводять до вильоту антинейтрино:
З експериментальної погляду вигідніше шукати величезні потоки антинейтрино, які можуть виникати на останній стадії еволюції антизірок. Справа в тому, що коли зірка вичерпує всі свої запаси термоядерного палива, вона починає катастрофічно швидко стискатись під дією своїх гравітаційних сил. Якщо маса зірки становить одну-три маси Сонця, це стиск триває до того часу, поки електрони не “вдавляться” всередину атомних ядер, у тому числі складається зірка. При цьому відбувається перетворення протонів ядер на нейтрони і випускаються нейтрино:
Коли зірка майже повністю складатиметься з нейтронів, стиск припиниться, оскільки сили гравітаційного тяжіння будуть врівноважені потужними силами відштовхування, що відбуваються між нейтронами. Відбувається утворення так званої нейтронної зірки – стабільного об'єкта з винятково великою щільністю та малими розмірами. Радіус нейтронної зірки з масою Сонця близько 10 км (радіус Сонця близько 700 000 км).
Зрозуміло, що при колапсі антизірки повинні утворитися антинейтрони, і процес утворення антинейтронної зірки супроводжуватиметься випромінюванням антинейтрино:
Потік таких антинейтрино має бути винятково великий, адже при колапсі практично кожен із величезного числа протонів зірки, перетворюючись на нейтрон, дає одне нейтрино: число антинейтрино » число антипротонів в антизірці @ 10 57 .
Вже існуючі нейтринні телескопи можуть зареєструвати виникнення такого колосального нейтринного спалаху, якщо він стався в нашій Галактиці.
Використовувана література:
1. Фізична енциклопедія т.1 М: 1990.
2. М. Саплжніков "Антисвіт реальність?" М.: 1983
