Московский Авиационный институт
(государственный технический университет)
Факультет № 3 «Системы управления, информатика и электроэнергетика»
Доклад по теме: «Аннигиляция частиц»
Выполнил: Сидоров Евгений, гр. 03-215
18.05.2007
В конце двадцатых годов прошлого века только что раз-витая квантовая механика была совместно с теорией отно-сительности применена к объяснению свойств электрона. В 1928 году британский физик Поль Дирак предложил описывать электрон новым уравнением, которое учитывало равноправие времени и пространства, чего требовала теория относительности.
Однако при этом волновая функция оказалась четырёхкомпонентной, т. е. зависящей от четырёх параметров. Два из них соотносились с двумя возможными проекциями спина. А как же две оставшиеся? Анализ показывал, что им соответствовала отрицательная энергия! И не просто отрицательная, а настоящая энергетическая пропасть, простирающаяся до бесконечности, в которую могла бы целиком провалиться наша Вселенная!
Необходимо было каким-то образом решать возникший парадокс. Сначала решили, что две неопознанные компоненты каким-то образом описывают протон. Однако затем выяснилось, что эта частица должна совпадать по массе с массой электрона; протон же в 1836 раз тяжелее электрона.
Позднее Дирак сделал предположение: все состояния, соответствующие отрицательным энергиям, изначально заполнены электронами («море Дирака»), а потому провалиться некуда. Само «море» ненаблюдаемо, но если из него с помощью фотона высокой частоты выбить электрон, то, во-первых, будет виден сам электрон, а оставшаяся в «море» дырка поведёт себя как реальная частица, отличающаяся от электрона только лишь знаком заряда, - антиэлектрон.
И действительно, через несколько лет антиэлектрон был получен экспериментально. В 1932 году американец Карл Андерсон (1905 – 1991) обнаружил в космических лучах частицы с положительным зарядом и массой, в точности равными по величине заряду и массе электрона. Позитроны, как их назвал Андерсон, и есть предсказанные частицы. Открытие позитрона было настоящим триумфом науки. Более того, впоследствии было обнаружено, что при взаимодействии электрон и позитрон превращаются в электромагнитное излучение – фотоны или ?-кванты. В 1936 году Андерсон за открытие позитрона был удостоен Нобелевской премии.
Позитрон называют античастицей электрона. Частица и античастица различаются только знаком электрического заряда. Все остальные параметры – масса покоя, абсолютная величина заряда, спин – в точности совпадают. Дальнейшее развитие квантовой теории привело к выводу, что, за исключением нескольких нейтральных частиц (фотона и ?0-мезона), каждая частица должна иметь противоположно заряженный двойник – античастицу. Первоначально аннигиляцией (от лат. annihilatio – уничтожение, исчезновение) был назван именно процесс взаимодействия электрона и позитрона, однако это определение оказалось не совсем удачным, т. к. в процессах аннигиляции материя не уничтожается, а лишь превращается из одной формы в другую. Вследствие этого понятие аннигиляция распространилось на взаимодействие любых частиц и античастиц.
Другой пример пары частица-античастица, открытый позже, - это пионы (?+- и ?--мезоны) и мюоны (?+- и ?--мезоны). Опытным путём доказано, что для них также также верны свойства античастиц: их электрические заряды противоположны, а массы покоя, абсолютные величины заряда, спины и даже периоды полураспада одинаковы.
Есть своя античастица и у нейтрино – антинейтрино. Теоретически доказано, что всего существует четыре типа нейтрино: электронные нейтрино и антинейтрино и мюонные нейтрино и антинейтрино. Опыты показали, что реакция поглощения антинейтрино протоном существует, тогда аналогичной реакции для нейтрино нет. Это означает, что нейтрино и антинейтрино – действительно разные частицы.
Как известно, нуклоны связаны с ядром, поэтому можно говорить об их заряде по отношению к ядру. Его называют барионным зарядом. Он определяет силу ядерного поля, подобно тому как величина электрического заряда влияет на напряжённость электрического поля. Барионный заряд нуклонов принимают равным +1. Электрический заряд протона равен +e, а барионный - +1. Нейтрон же обладает таким же барионным зарядом, однако не имеет заряда электрического. Теория предсказывала существование антинуклонов – антипротонов (барионный заряд равен -1, электрический - +e) и антинейтронов (барионный заряд -1, электрический – 0). Также было установлено, что антипротон, как и протон, должен быть стабильным и иметь такую же массу. Аналогичным образом антинейтрон, равно как и нейтрон, должен быть неустойчивым (превращаться в антипротон) и обладать такой же массой.
Однако в земных условиях антинуклоны могут существовать лишь в течение очень короткого промежутка времени, поскольку они, подобно позитронам, аннигилируют, объединяясь с нуклонами и образуя, как правило, пионы.
Опыты доказывают существование закона сохранения барионного заряда: при любых превращениях частиц их суммарный барионный заряд остаётся неизменным. Именно поэтому антинуклон может образовываться только в паре с нуклоном. Такие реакции могут вызываться частицами с энергией в миллиарды электрон-вольт, превосходящей энергию покоя пары нуклон – антинуклон.
В 1955 – 1956 годах, через несколько лет после вступления в строй первого ускорителя на 6 ГэВ, группе американских физиков-ядерщиков удалось обнаружить процессы образования пар нейтрон – антинейтрон и протон – антипротон на практике. Эксперименты не только надёжно доказали их существование, но и подтвердили предсказания теории относительно их свойств.
В 1965 году среди продуктов ядерных реакций были обнаружены антидейтроны – атомные ядра, состоящие из одной пары антинуклонов. Теоретически из антипротонов и антинейтронов можно строить всевозможные ядра, отличающиеся от обычных только лишь знаком барионного и электрического зарядов. Так, например, в 1970 году в Институте физики высоких энергий в Серпухове были синтезированы ядра антигелия-3, т. е. ядра, состоящие из двух антипротонов и одного антинейтрона. По законам физики такие ядра вполне могут притягивать положительно заряженные позитроны, образуя таким образом атомы, столь же устойчивые, как и обычные, земные. Отсюда вполне логичным было бы предположение о существовании антивещества, построенного из антинуклонов и позитронов.
В 1995 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах, началось детальное изучение его свойств.
Несмотря на полную идентичность свойств вещества и антивещества в космических масштабах между ними наблюдается гигантская разница. Наблюдения показывают, что наблюдаемая часть вселенной состоит почти исключительно из вещества, а не из антивещества. Предполагается, что столь сильная асимметрия между веществом и антивеществом возникла в первые доли секунды после Большого Взрыва.