Частицы и античастицы. Антивещество

Впервые гипотеза о существовании античастиц была высказана в 1928 г. П. Дираком, который на основе релятивистского волнового уравнения предсказал существование антиэлектрона (позитрона). Спустя 4 года К. Андерсон обнаружил позитрон в составе космического излучения. Дальнейшие выводы релятивистской квантовой теории привели к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица. Эксперименты показывают, что за немногим исключением истинно нейтральных частиц (фотон, p⁰-мезон и h-мезон) действительно каждой частице соответствуют античастицы. Экспериментально доказано существование антипротона, антинейтрона, антинейтрино и т.д. Каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей.

Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды, одинаковые спины и все квантовые числа, приписываемые частицам для описания их взаимодействий (лептонный, барионный заряды, странность, очарование и т.д.). Главное, что отличает частицу от античастицы, заключается в их способности к взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны. Так например, аннигиляция пары электрон-позитрон приводит к образованию двух фотонов: _-1е +₊₁е®2g.

Частица и античастица возникают парами. Так, рождение электронно-позитронных пар происходит при прохождении g-фотонов через вещество. Этот процесс является одним из основных причин поглощения g-лучей веществом.

Фундаментальное значение для понимания строения материи имело открытие антиядер, позволившее доказать возможность существования антивещества, построенного из античастиц. Первое антиядро – антидейтрон (связанное состояние антипротона и антинейтрона) было получено в 1965 г. группой американских физиков под руководством Л. Лидермана. Позднее на Серпуховском ускорителе были синтезированы ядра антигелия (1970) и антитрития (1973).

Для устойчивого состояния антивещества оно должно быть изолировано от вещества, т.к. аннигиляция частиц и античастиц не позволяет античастицам долгое время существовать среди частиц. Если бы вблизи известной нам части Вселенной существовало скопление антивещества, то должно было бы существовать мощное аннигиляционное излучение (колоссальные взрывы с выделением огромных количеств энергии). Однако ничего подобного в настоящее время пока не обнаружено. В разделе «Современные космологические концепции» мы будем говорить о реликтовом излучении, связанном с процессами аннигиляции вещества и антивещества на ранних этапах развития Вселенной.

Великое объединение физических взаимодействий

С точки зрения квантовой теории поля взаимодействие между частицами осуществляется посредством особых частиц – переносчиков взаимодействия. Так, электромагнитное поле представляет собой совокупность фотонов и процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами заключается в обмене фотонами. Каждая заряженная частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов, испущенных первой частицей. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не реальными, а виртуальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые нельзя обнаружить за время их существования.

Переносчиками сильного взаимодействия являются p-мезоны.

Способность элементарных частиц к взаимным превращениям с соблюдением законов сохранения позволяет предполагать наличие единого общего поля, различными квантовыми состояниями которого и являются эти частицы. Идея о единстве различных видов взаимодействия принадлежит еще А. Эйнштейну, который потратил много лет на то, чтобы единым образом описать гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Усилия Эйнштейна не увенчались успехом, однако спустя 30 лет после его смерти его идея частично была реализована.

В конце 70-х годов С. Вайнберг, Ш. Глешоу и А. Салам создали единую теорию электрослабых (т.е. электромагнитных и слабых) взаимодействий. Из этой теории вытекает, что переносчиками слабых взаимодействий является группа частиц, названных промежуточными векторными бозонами (W). В 1982-1983 гг. промежуточные векторные бозоны были обнаружены экспериментально. Таким образом, слабые взаимодействия подобны электромагнитным, переносчиками которых также являются векторные бозоны (фотоны); слабое и электромагнитное взаимодействия – суть разные проявления одного и того же фундаментального взаимодействия.

Великое объединение – объединение при сверхвысоких энергиях трёх фундаментальных взаимодействий – сильного, электромагнитного и слабого. Предпосылкой к нему является то, что силы (интенсивности) этих взаимодействий, кардинально различающиеся при обычных (низких) энергиях, с ростом энергии и, соответственно, уменьшением расстояния между частицами, сближаются и сходятся в точке Великого объедения (по оценкам энергия 10¹⁵–10¹⁶ ГэВ, расстояние порядка 10^{-29 см}). Переносчиками сил Великого объединения считаются гипотетические бозоны X и Y, имеющие огромные массы.

Энергия, необходимая для прямой проверки теории Великого объединения, очень велика. Однако существует способ косвенной проверки: теория Великого объединения предсказывает распад протона на позитрон и нейтральный пион. Нестабильность протона (если она есть) крайне мала: теоретически время жизни оценивается в 10²⁹ – 10³⁰ лет. При этом в одном кубометре воды в течение года должен распадаться один протон. Зарегистрировать распад протона пока не удалось.

Условия для Великого объединения могли существовать во Вселенной в краткий период сразу после Большого взрыва, т.е. около 13-14 млрд лет назад, когда её возраст составлял 10^–43–10^–36 с.

В наши дни принята Стандартная модель, согласно которой все вещество состоит из 24 частиц – фермионов: 6 лептонов, 6 кварках и 12 античастиц. Частицами – переносчиками взаимодействий являются 8 глюонов, 3 тяжелых бозона, один фотон. Основной недостаток Стандартной модели состоит в том, что она не может объяснить действие силы тяжести. Было теоретически предсказано существование бозона Хиггса, отвечающего за массу. В Стандартной модели элементарные частицы получают массу посредством механизма, основанного на существовании поля Хиггса, пронизывающего все пространство. Если поле Хиггса действительно существует, его действие потребует наличия соответствующего носителя со свойствами, благодаря которым его можно наблюдать. Бозон Хиггса – это переносчик взаимодействия, подобно фотону – переносчику электромагнитного поля Вселенной.

Для создания бозона Хиггса требуется большое количество энергии, поэтому обнаружить его можно только на мощных ускорителях заряженных частиц. В 2013 г. специалисты CERN (Европейская организация ядерных исследований) объявили об обнаружении этой частицы; двумя годами позднее ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, смогли это подтвердить. Однако до полного понимания природы взаимодействий еще далеко.

Контрольные вопросы

1. Какие классы элементарных частиц Вам известны? Что лежит в основе классификации элементарных частиц?

2. Какие основные типы взаимодействий Вы знаете? Что такое великое объединение физических взаимодействий?

3. Какие взаимодействия играют важную роль в повседневной жизни?

4. К какому основному типу взаимодействия относятся: а) сила тяжести; б) вес; в) сила трения; г) сила упругости; д) сила, связывающая протоны и нейтроны в ядре атома гелия?

5. Как рассматриваются взаимодействия в современной квантовой теории поля?

6. Что такое фотон? Какие свойства фотона Вы знаете?

7. Что такое сильное взаимодействие? Каковы его основные черты?

8. Что такое аннигиляция?

9. Как ученые пришли к идее о существовании кварков?

10. Как устроен атом? Чем определяются химические свойства элементов?

11. Как устроено атомное ядро?

12. Перечислите и прокомментируйте основные свойства ядерных сил. В чем отличие сильного взаимодействия от электромагнитного?

13. Что такое энергия связи атомных ядер? Почему энергетически выгодно расщепление тяжелых ядер и синтез легких?

14. Почему термоядерные реакции могут протекать только при очень высоких температурах?

15. Что такое радиоактивность? Приведите примеры радиоактивного распада.

16. Поясните понятие «Великое объединение».

17. Какие виды радиоактивного излучения Вы знаете? Сравните эти излучения по их ионизирующей и проникающей способностям.

18. Почему α-излучение обладает большей ионизирующей способностью, чем β-излучение? Почему самой большой проникающей способностью обладает γ-излучение?