§ 233. Частицы и античастицы

В конце двадцатых годов нашего века только что развитая квантовая механика (см. § 210) была совместно с теорией относительности (см. § 199) применена к объяснению свойств электрона. Последовало неожиданное заключение: должен существовать положительно заряженный двойник электрона! И действительно, через несколько лет такая частица была открыта — это известный нам позитрон. Открытие позитрона было триумфом современной физической теории.

Позитрон называют античастицей электрона. Частица (электрон) и античастица (позитрон) различаются только знаком электрического заряда; остальные их свойства — масса покоя, абсолютная величина заряда, спин (т. е. внутреннее вращение, см. § 230) — в точности совпадают. Дальнейшее развитие квантовой теории привело к выводу, что, за исключением нескольких нейтральных частиц (фотон, -мезон), каждая частица должна иметь противоположно заряженный двойник — античастицу.

В предыдущем параграфе мы познакомились с двумя парами таких двойников — это - и -мезоны и мюоны  и . Опыт показывает, что, как и в паре электрон — позитрон, частица и античастица в каждой из этих нар обладают одинаковыми свойствами — их массы и периоды полураспада равны.

Для нуклонов теория также предсказывает существование античастиц — антипротонов и антинейтронов (антинуклонов). Не следует удивляться, что у нейтрона, полный электрический заряд которого равен нулю, есть отличная от него самого античастица. Ведь мы уже видели раньше, что нейтрон нельзя считать нейтральной частицей. Он характеризуется сложным внутренним распределением заряда, и это проявляется, в частности, в том, что у нейтрона есть магнитный момент. Магнитные моменты нейтрона и антинейтрона оказываются направленными противоположно по отношению к направлению их спинов.

Помимо электрического заряда и магнитного момента, у нуклонов есть еще одна важная внутренняя характеристика (квантовое число), отличающая их от антинуклонов. Существование такой характеристики, которую условно можно также назвать некоторым «зарядом» — барионным зарядом ,— следует уже из стабильности нуклонов. Действительно, нуклоны, несмотря на свою большую массу, не распадаются очень быстро на легкие частицы (электроны, -кванты, -мезоны), хотя из энергетических соображений подобные распады, казалось, могли бы идти. Такая стабильность нуклонов и заставила предположить, что у них есть какое-то сохраняющееся квантовое число, получившее название барионного заряда, которого нет у легких частиц. Поэтому распад нуклонов на легкие частицы оказывается запрещенным.

Нуклонам приписывается значение барионного заряда . Тогда у антинуклонов барионный заряд будет .

Итак, антипротон характеризуется электрическим зарядом  (в единицах элементарного заряда) и барионным зарядом . У антинейтрона электрический заряд нуль, и . Антипротон, как и протон, должен быть стабильным и должен обладать такой же массой. Антинейтрон должен иметь массу нейтрона и аналогично ему быть неустойчивым — превращаться путем -перехода в антипротон.

В земных условиях антинуклоны длительно существовать не должны, так как они, подобно позитронам, аннигилируют, объединяясь с нуклонами и превращаясь, как правило, в кванты ядерного поля — -мезоны.

Опыты показывают, что при любых превращениях частиц суммарный барионный заряд сохраняется подобно электрическому. Поэтому в ядерных реакциях, учитывая сохранение обоих зарядов, антинуклон может образоваться только в паре с нуклоном. Такие реакции могут вызываться частицами с энергией в миллиарды электрон-вольт, превосходящей энергию покоя пары нуклон — антинуклон (см. упражнение 58 в конце главы).

В 1955—1956 гг., через несколько лет после вступления в строй первого ускорителя на , группе американских физиков удалось обнаружить процессы образования антипротонов и антинейтронов на опыте. Эксперименты не только надежно доказали их существование, но и подтвердили предсказания теории относительно их свойств. Рис. 416 и 417 иллюстрируют, как антинуклоны изучаются при помощи пузырьковой камеры (см. § 235).

В последующие годы среди продуктов ядерных реакций частиц высокой энергии были обнаружены антидейтроны (атомные ядра, состоящие из антипротона и антинейтрона). Теоретически из антипротонов и антинейтронов можно строить всевозможные ядра (или, точнее, антиядра), отличающиеся от обычных протонно-нейтронных ядер лишь отрицательным знаком электрического (и барионного) заряда. Присоединяя позитроны, такие антиядра должны образовывать атомы, столь же устойчивые, как и обычные земные атомы. Это означает, что может существовать антивещество, построенное из антинуклонов и антиэлектронов, т. е. позитронов.

Астрофизические наблюдения до сих пор не обнаружили в видимой части Вселенной сколько-нибудь заметного присутствия антивещества. Пока нельзя с уверенностью сказать, что это: результат ли недостаточной точности наблюдений или же Вселенная действительно асимметрична, т.е. построена только из вещества, хотя антивещество, казалось бы, нисколько не худший строительный материал.

В предыдущем изложении мы говорили о нейтрино как о единой частице. Работы последних лот доказали существование нескольких разновидностей нейтрино. При -распаде нейтронов и протонов образуются электроны  и позитроны . Частицу, испускаемую вместе с электроном условились называть электронным антинейтрино . Тогда частицу, испускаемую вместе с позитроном, следует называть электронным нейтринном  С учетом этого реакции -распада (230.2) и (230.3) записываются следующим образом:

                                              (233.1)

                                              (233.2)

Прибавляя к уравнению (233.2) слева и справа по  и аннигилируя в правой части нейтрино  и антинейтрино  (освобождающаяся энергия поглощается позитроном), приходим к реакции (231.1), но уже в более точном написании

.                                              (233.3)

Аналогично из (233.1) следует

.                                            (233.4)

Являются ли нейтрино  антинейтрино  одинаковыми или разными частицами? Ответ на этот вопрос должен дать эксперимент. Мы уже знакомы с частицами с нулевым электрическим зарядом, которые отличны от своих античастиц — это нейтроны и антинейтроны, различающиеся знаком барионных зарядов. По существуют незаряженные частицы и другого типа, тождественные своим античастицам — например фотоны или -мезоны, получившие поэтому название истинно нейтральных частиц. Опыты, проведенные на пучках антинейтрино ядерного реактора, показали, что реакция поглощения  протонами (233.3) действительно наблюдается (см. § 231). Но поглощение  нейтронами обнаружить не удалось. Именно этого и следовало ожидать, если электронные нейтрино и антинейтрино — разные частицы (тогда при взаимодействии с нейтронами могут поглощаться , но не ). Таким образом, из прямого эксперимента следует, что электронные нейтрино  и антинейтрино  отличаются друг от друга и не являются поэтому истинно нейтральными частицами. Дальнейшие исследования показали, что нейтрино, образующиеся при распаде -мезонов вместе с мюонами, отличаются от нейтрино, образующихся в (-распадах (233.1) и (233.2) вместе с электронами.

Реакцию распада -мезона на мюон и нейтрино теперь следует писать в виде . Прибавляя справа и слева по  и по нейтрону, аннигилируя  и объединяя , приходим

Очевидно, должна идти и обратная реакция

.

Эта реакция наблюдалась экспериментально с помощью ускорителей на лучках нейтрино , образующихся при распаде -мезонов. Эти пучки не вызывали, однако, реакции (233.3) и (233.4). Отсюда и был сделан вывод о различии мюонных и электронных нейтрино.

Экспериментально было показано также, что мюонные нейтрино и антинейтрино  и  отличаются друг от друга. Более подробно и полно о разных типах нейтрино см. в § 242.

Рис. 416. Образование и аннигиляция антипротона. Стереофотография следов в пузырьковой камере с жидким пропаном . Камера облучалась пучком -мезонов с энергией   от ускорителя протонов на   в Дубне (-мезоны возникали при взаимодействиях протонов в бериллии). В точке  (см. схему справа от фотографии) -мезон, сталкиваясь с протоном, образует пару протон () — антипротон () (реакция ). Камера находилась в магнитном поле; кривизна следа  указывает, что эта частица заряжена отрицательно. В точке  антипротон сталкивается с протоном и аннигилирует; при этом возникают - и - мезоны, а также, как следует из анализа снимков с учетом законов сохранения энергии и импульса, -мезон, не давший следа в камере

Рис. 417. Образование и аннигиляция антинейтрона. Пропановая пузырьковая камера облучалась пучком антипротонов, образонанных при соударениях протонов с энергией  с бериллиевой мишенью. След одного из антипротонов внезапно обривается (верхняя стрелка), хотя другие антипротоны той же энергии пересекают всю камеру. Это можно объяснить только тем, что произошла реакция . Антинейтрон и нейтрон летят в направлениях, близких к направлению полета антипротона, так как он передал им свой импульс, но не оставляют следов в камере. В точке, на которую указывает нижняя стрелка (она лежит приблизительно на продолжении следа антипротона), антинейтрон соударяется с протоном или ядром; заряженные продукты аннигиляции (в основном -мезоны) образуют на снимке «звезду». По искривлению следов в магнитном поле можно судить, что испускаются как положительные, так и отрицательные частицы