1. В микромире каждой частице соответствует античастица. В некоторых случаях частица совпадает со своей античастицей, т.е. все свойства частицы и античастицы тождественны. В таком случае элементарные частицы называют истинно нейтральными частицами. $\mathrm{K}$ ним относятся фотон $\gamma, \pi^{0}$-мезон, $\eta^{0}$-мезон, $J / \psi$-мезон, ипсилончастица $\Upsilon$. Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики (электрический заряд, магнитный момент, лептонные и барионные заряды, странность, очарование, красота) одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. (Встречающиеся здесь термины будут определены в следующих параграфах.) Так, электрон и протон отличаются от позитрона (антиэлектрона) и антипротона прежде всего знаком электрического заряда. Нейтрон отличается от антинейтрона знаком магнитного момента. Лептонные заряды у лептонов и антилептонов, барионные заряды у барионов и антибарионов противоположны по знаку.

Понятия частицы и античастицы относительны. Что назвать частицей и что античастицей – это вопрос соглашения. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что в нашей Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны являются более экзотическими объектами. Но, в принципе, с равным успехом частицей можно было бы назвать позитрон, а электрон – античастицей.

2. Первая античастица – позитрон (антиэлектрон) была предсказана теоретически Дираком в 1931 г. и обнаружена в 1932 г. Андерсоном (р. 1905). Дирак исходил из предложенного им релятивистского волнового уравнения и принципа Паули. Рассмотрение его теории, по существу, далеко выходит за рамки нашего курса, и мы не будем ее касаться. Отметим только, что теория Дирака в вопросе о частицах и античастицах, во всяком случае, недостаточна. Это видно уже из того, что она построена для электрона, а он имеет спин $1 / 2$ и относится к фермионам. Античастицами же обладают не только фермионы, но и бозоны. Существование античастиц является более фундаментальным фактом, чем думали сначала. Современная квантовая теория поля решает этот вопрос, но на этом мы останавливаться не можем.

Андерсон открыл позитрон в составе космических лучей, фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона. След позитрона был похож на след электрона, но в магнитном поле он загибался в противоположную сторону. Это свидетельствовало о положительном знаке заряда наблюдаемой частицы. О направлении полета частицы можно было судить по увеличению кривизны следа при ее движении. Для того чтобы усилить этот эффект, Андерсон ставил на пути позитрона свинцовую пластинку, проходя через которую позитрон тормозился, и уменьшение радиуса кривизны его следа становилось более значительным. По кривизне следа Андерсон вычислил энергию частицы. Если бы это был протон, то его пробег при установленном Андерсоном значении энергии был бы примерно в 10 раз меньше наблюдаемого в действительности. Это означало, что масса открытой положительно заряженной частицы была меньше массы протона.

В 1933 г. вскоре после открытия Андерсона Блэккет (1897-1974) и Оккиалини (р. 1907) открыли электронно-позитронные ливни в космических лучах. Они пользовались камерой Вильсона, управляемой посредством счетчиков. Камера помещалась между двумя счетчиками и срабатывала только тогда, когда через оба счетчика одновременно пролетала ионизующая заряженная частица. В этот момент и производилось фотографирование. Измеряя кривизну треков, исследователи также пришли к заключению о существовании позитрона.
3. В вакууме при отсутствии вещества позитрон столь же стабилен, что и электрон. Однако при встрече электрона с позитроном эти частицы «аннигилируют», т. е. превращаются в два, три или несколько квантов излучения. Один $\gamma$-квант излучиться не может, так как в этом случае нарушился бы закон сохранения импульса. Это очевидно, если рассмотреть процесс в системе центра масс и принять во внимание, что число излученных $\gamma$-квантов от выбора системы отсчета не зависит. Значит, и в любой системе отсчета один $\gamma$-квант излучиться не может.

Существует обратный процесс: $\gamma$-квант может породить $n a p y \mathrm{e}^{+} \mathrm{e}^{-}$. Для этого необходимо, чтобы энергия $\gamma$-кванта была не меньше собственной энергии пары $2 m_{\mathrm{e}} c^{2}$. Этот процесс может происходить только в присутствии третьего тела, например атомного ядра, иначе нарушился бы закон сохранения импульса. Действительно, в системе центра масс образовавшейся пары импульс 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. В произвольной же системе отсчета импульс исчезнувшего кванта распределится между тремя частицами: атомным ядром, электроном и позитроном. Нарушения закона сохранения импульса не произойдет.

Позитроны могут появляться также в позитронной радиоактивности и в других процессах превращения ядерных и элементарных частиц. Образование пар $\mathrm{e}^{+} \mathrm{e}^{-} \gamma$-квантами высоких энергий и позитронная радиоактивность служат основными процессами для получения позитронов.

При столкновениях медленных позитронов с атомами вещества позитроны могут захватывать электроны из атомной оболочки. В результате образуется связанная система из электрона и позитрона, называемая позитронием. Различают ортопозитроний (когда спины $\mathrm{e}^{+}$и $\mathrm{e}^{-}$направлены параллельно) и парапозитроний (когда спины направлены противоположно). Позитроний – нестабильная частица, так как позитрон и электрон быстро аннигилируют с образованием $\gamma$-квантов. Парапозитроний аннигилирует в два $\gamma$-кванта за время $1,25 \cdot 10^{-10} \mathrm{c}$, а ортопозитроний – в три $\gamma$-кванта за время $1,4 \cdot 10^{-7} \mathrm{c}$. Позитроний – простейшая система, связанная чисто электромагнитными силами (без участия сильных взаимодействий). Поэтому изучение позитрония представляет особый интерес для проверки квантовой электродинамики.
4. В 1955 г. на ускорителе протонов в Беркли (максимальная энергия 6,3 ГэВ) группой американских физиков были открыты антипротоны. Согласно закону сохранения барионного заряда (см. § 108) антипротон может образоваться только в паре с протоном (или нейтроном, если позволяет закон сохранения электрического заряда). Антипротоны получались при столкновениях ускоренных протонов с протонами же, входящими в состав ядер медной мишени. Пороговая энергия протонов (в лабораторной системе отсчета, где мишень покоится) равна 5,6 ГэВ (см. § 107, п.4). Система отклоняющих магнитов отбирала отрицательно заряженные частицы, подавляющее большинство которых составляли $\pi^{-}$-мезоны. Выделение антипротонов на подавляющем фоне $\pi^{-}$-мезонов и представляло главную трудность эксперимента (например, при энергии 6,2 ГэВ на $62000 \pi^{-}$-мезонов приходился один антипротон). Массы частиц определялись измерением их импульса (по отклонению в магнитном поле) и скорости. Последняя определялась двумя независимыми способами: по времени пролета между двумя люминесцентными счетчиками и счетчиками Черенкова. Черенковский счетчик был отъюстирован так, что он регистрировал только частицы со скоростями, равными скорости антипротонов, а более быстрые $\pi$ мезоны не регистрировал. На современных ускорителях получаются пучки антипротонов, содержащие до $10^{6}$ частиц в пучке.

Через год после открытия антипротона был получен и антинейтрон. Антинейтроны получались перезарядкой антипротонов, т. е. в результате реакции
\[
\overline{\mathrm{p}}+\mathrm{p} \rightarrow \mathrm{n}+\overline{\mathrm{n}} .
\]

Появление антинейтрона обнаруживалось наблюдением его аннигиляции с нуклонами. Будучи нейтральным, антинейтрон не ионизует атомы вещества, через которое он пролетает. По этой причине антинейтрон не оставляет следа в детекторе. Однако при аннигиляции антинейтрона возникает несколько заряженных частиц, следы которых выходят из одной точки (звезда).
5. Поскольку позитрон и антипротон так же стабильны, как и соответствующие им частицы, наряду с обычным веществом физика допускает существование и антивещества. Ядра атомов антивещества построены из антипротонов и антинейтронов. Их оболочки состоят из позитронов. Первое антиядро – антидейтрон $d$ – было получено в 1965 г. в ускорителе группой американских физиков под руководством Ледермана (р. 1922). В 1969 г. на ускорителе в Серпухове (76 ГэВ) под руководством Ю.Д. Прокошкина (р. 1929) было зарегистрировано ядро антигелия ${ }^{3} \overline{\mathrm{He}}$, состоявшее из двух антипротонов и одного антинейтрона. В 1974 г. там же было получено ядро антитрития ${ }^{3} \mathrm{H}$. Оно состоит из одного антипротона и двух антинейтронов. Во Вселенной антивещество астрономами не обнаружено. Не исключено, что во Вселенной антивещества и нет. (В первичных космических лучах число регистрируемых антипротонов примерно в $10^{3}-10^{4}$ раз меньше числа протонов.) Причину такой асимметрии, если она существует, надо искать в происхождении и эволюции Вселенной.

Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и всякая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают не столько $\gamma$-кванты, сколько другие легкие частицы. Причина этого в том, что аннигиляция позитрона с электроном происходит в результате электромагнитного взаимодействия, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц и античастиц, являющихся адронами, вызывается сильным взаимодействием. Так, при аннигиляции протона с антипротоном доля появляющихся $\gamma$-квантов ничтожна по сравнению с долей $\pi$-мезонов. Аннигиляция же с испусканием нескольких (больше двух) $\pi$-мезонов более вероятна, чем двухмезонная. Среднее число всех $\pi$-мезонов (заряженных и нейтральных), появляющихся при аннигиляции одного медленного протона с одним антипротоном, равно приблизительно 4,8 , а одних заряженных $-3,1$.