A. Античастицы

Античастицы. Превращение пары "электрон — позитрон" в гамма-излучение и обратно

В настоящее время известно о существовании античастиц, которые имеются почти у всех известных частиц. Некоторые характеристики частиц и античастиц одинаковы, другие — противоположны.

Впервые в 1938 г. П.Дирак теоретически обосновал, что в природе должна существовать частица с массой, равной массе электрона, и с зарядом, противоположным по знаку, но равным по модулю. Такая частица — позитрон — была обнаружена в 1932 г. В 1933 г. Ф. и И. Жолио-Кюри обнаружили рождение пары "электрон — позитрон" из \(~\gamma\)-кванта с энергией \(~W\approx 1,02\) МэВ.

Название любой античастицы получается путем прибавления к названию соответствующей частицы приставки "анти". Исключение составляет античастица электрона — позитрон. В реакциях античастицы обозначаются волнистой чертой над символом. Например, \(~_0^1n\) — нейтрон, \(~_0^1\tilde{n}\) — антинейтрон.

Для частиц и античастиц массы, спины, времена жизни в вакууме равны; знаки электрического, лептонного, барионного зарядов и направления магнитных моментов противоположны.

В частности, протон и антипротон различаются не только электрическим зарядом, но и барионным зарядом и направлением магнитного момента. Нейтрон и антинейтрон, не имеющие электрического заряда, различаются барионным зарядом и направлением магнитного момента.

Все известные частицы экспериментально обнаружены и исследованы.

У электронного нейтрино \(~\nu_e\) имеется антинейтрино \(~\tilde\nu_e,\) рождаемое в процессе обычного \(~\beta^-\)-распада. Сами нейтрино участвуют в процессе \(~\beta^+\)-распада, в термоядерных реакциях и т. д.

У нейтрино спин направлен против импульса, у антинейтрино — вдоль импульса. Античастицей по отношению к положительному пиону \(~\pi^+\) служит отрицательный пион \(~\pi^-\). Незаряженный пион \(~\pi^0\) — истинно нейтральная частица (как и фотон).

Можно построить атом антиводорода, заставив двигаться позитрон вокруг антипротона. Легко представить себе (хотя и очень трудно их сохранить) антиатомы любых других антиэлементов, в которых позитроны движутся вокруг ядер, в состав которых входят антипротоны и антинейтроны. Из такого антивещества может состоять целая галактика или группа галактик — звездный остров. В СССР в 1969 г. впервые был получен антигелий. Необходимо отметить, что разделение всех микрообъектов на частицы и античастицы достаточно условно. Вполне возможно считать антипротоном то, что мы принимаем за протон, и наоборот. Дело заключается в том, что протонов в нашей Вселенной неизмеримо больше, чем антипротонов и т.д.

Основной особенностью пары "частица — античастица" является способность аннигилировать при встрече, полностью превращаясь в другие формы материи (чаще всего в излучение) с соблюдением законов сохранения. Экспериментально установлено: если встречаются частица со своей античастицей, обе превращаются в два фотона соответствующей частоты, разлетающиеся от места происшествия в разные стороны. Такие превращения были зафиксированы при встрече электрона и позитрона, а позднее — протона и антипротона. При таком превращении дефект массы достигает максимума, выделяется максимально возможное по закону взаимосвязи массы и энергии количество полной энергии \(~2mc^2,\) где m — масса одной частицы. И, наоборот, при затрате соответствующей энергии такая пара может возникнуть.

Позитрон, как и электрон, сам по себе абсолютно стабилен. Но, встречаясь друг с другом, электрон и позитрон аннигилируют ("уничтожаются"), порождая два фотона:

\(~_{-1}^0e+_{+1}^0e\to 2\gamma.\)

Разумеется, никакого уничтожения материи здесь не происходит: один вид материи — заряженные массивные частицы — переходит в другой вид материи — в нейтральные безмассовые частицы. Соответственно, энергия покоя электрона и позитрона превращается в энергию движущихся со скоростью света фотонов. Если аннигиляция происходит из состояния покоя, то фотоны разлетаются в противоположные стороны с одинаковыми импульсами и одинаковыми энергиями\[~h\nu = m_ec^2=0,511\] МэВ.

Часто (но не всегда) позитрон образуется совместно с электроном. Рождение пары \(~(_{-1}^0e ; _{+1}^0e)\) происходит при столкновении фотона с заряженной частицей, в качестве которой обычно выступает атомное ядро X:

\(~\gamma+X \to X +_{-1}^0e+_{+1}^0e.\)

Эта реакция возможна только при достаточно большой энергии фотона\[~h\nu = m_ec^2= 1,022\] МэВ.

Не следует думать, что электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, всегда аннигилируют, превращаясь в два фотона. Так происходит лишь в том случае, когда в системе отсчета, связанной с их центром масс, кинетическая энергия не слишком велика. Если же электрон и позитрон движутся навстречу друг другу, обладая очень большими энергиями, то при их столкновении могут порождаться самые разнообразные частицы (вплоть до наиболее тяжелой — ипсилон-мезона). Использование встречных пучков электронов и позитронов — один из самых эффективных методов генерации новых частиц. Он широко применяется в современной физике высоких энергий. Явление аннигиляции явилось еще одним доказательством взаимосвязи превращений частица + античастица \(~\leftrightarrow\) электромагнитное поле. Рождение электронно-позитронной пары также наглядно показывает, что две формы материи — вещество и поле — не являются резко разграниченными, так как возможны взаимные превращения материи из одной формы в другую.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 637-639.