Частицы и античастицы. Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону $e^{-}$- позитрон $e^{+}$, протону $p^{+}$- антипротон $p^{-}$, нейтрону $n$ антинейтрон $\tilde{n}$ и т. д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.

В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения (подробнее об этом в следующем параграфе).

Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.

В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т. е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон $\gamma, \pi^{\circ}$-мезон и $\eta^{\circ}$-мезон.

Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица – частицей или античастицей (см. пример в следующем параграфе).

Аннигиляция и рождение пар. При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т. е. превращение их в $\gamma$-кванты, например так:
\[
e^{-}+e^{+} \rightarrow \gamma+\gamma
\]

Заметим, что один $\gamma$-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса. Это легко понять, если рассмотреть процесс в $L$-системе, где суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю.

Существует процесс, обратный аннигиляции, – рождение nap: $\gamma$-квант может породить пару $e^{+} e^{-}$. Для этого необходимо, чтобы энергия $\gamma$-кванта была не меньше собственной энергии пары $2 m_{e} c^{2}$. Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. В самом деле, в Ц-системе суммарный импульс образовавшейся пары был бы равен нулю, тогда как импульс породившего ее $\gamma$-кванта отличен от нуля. При наличии атомного ядра импульс $\gamma$-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.

Пример. Определим наименьшую энергию $\gamma$-кванта, $\varepsilon_{\text {мин }}$, при которой возможно рождение пары электрон-позитрон на покоившемся протоне:
\[
\gamma+p \rightarrow p+e^{-}+e^{+}
\]

Воспользуемся инвариантностью выражения (П.3′), т. е. $E^{2}-p^{2}=m^{2}$, записав левую часть равенства в – $^{-с и с т е м е, ~ а ~}$ правую – в $Ц$-системе:
\[
\left(\varepsilon_{\text {мии }}+m_{p}\right)^{2}-\varepsilon_{\text {мин }}^{2}=\left(m_{p}+2 m_{e}\right)^{2},
\]

где учтено, что $p_{\text {мин }}=\varepsilon_{\text {мин }}$, и тот факт, что все три частицы в Ц-системе должны покоиться при $\varepsilon=\varepsilon_{\text {мнн }}$. После раскрытия скобок и сокращения соответствующих слагаемых получим:
\[
\varepsilon_{\text {мин }}=2 m_{e}\left(1+m_{e} / m_{p}\right) \approx 2 m_{e}=1,02 \mathrm{MэB} .
\]

Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно $\pi$-мезоны (доля $\gamma$-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц – адронов – сильным взаимодействием.