АНТИЧАСТИЦЫ

АНТИЧАСТИЦЫ

       

совокупность элем. частиц, имеющих те же значения масс и прочих физ. хар-к, что и их «двойники» — ч-цы, но отличающихся от них знаком нек-рых хар-к вз-ствий (напр., электрич. заряда, магн. момента). Название «ч-ца» и «А.» в известной мере условны: можно было бы называть антиэлектрон (положительно заряж. эл-н) ч-цей, а эл-н — А. Однако атомы в-ва в наблюдаемой части Вселенной содержат эл-ны с отрицат. зарядом, а протоны — с положительным. Поэтому для известных к нач. 20-х гг. 20 в. элем. ч-ц — эл-на и протона (и позднее нейтрона) было принято название «частица».

Вывод о существовании А. впервые был сделан в 1931 англ. физиком П. Дираком. Он вывел релятив. квант. ур-ние для эл-на (Дирака уравнение), к-рое оказалось симметричным относительно знака электрич. заряда: наряду с отрицательно заряж. эл-ном оно описывало положительно заряж. ч-цу той же массы — антиэлектрон. Согласно теории Дирака, столкновение ч-цы и А. должно приводить к их аннигиляции — исчезновению этой пары, в результате чего рождаются две или более других ч-ц, напр. фотоны.

В 1932 антиэлектроны были экспериментально обнаружены амер. физиком К. Андерсоном. Он фотографировал ливни, образованные космическими лучами в камере Вильсона, помещённой в магн. поле. Заряж. ч-ца движется в магн. поле по дуге окружности, причём ч-цы с зарядами разных знаков отклоняются полем в противоположные стороны. Наряду с хорошо известными тогда следами быстрых эл-нов Андерсон обнаружил на фотографиях совершенно такие же по внеш. виду следы положительно заряж. ч-ц той же массы. Эти ч-цы были названы позитронами. Открытие позитрона явилось блестящим подтверждением теории Дирака. С этого времени начались поиски других А.

В 1936 также в косм. лучах были обнаружены отрицат. и положит. мюоны (m- и m+), являющиеся ч-цей и А. по отношению друг к другу. В 1947 было установлено, что мюоны косм. лучей возникают в результате распада несколько более тяжёлых ч-ц — пи-мезонов (p-, p+). В 1955 в опытах на ускорителе были зарегистрированы первые антипротоны. Физ. процессом, в результате к-рого образовались антипротоны, было рождение пары протон — антипротон. Несколько позже были открыты антинейтроны. К 1981 экспериментально обнаружены А. практически всех известных элем. ч-ц.

Общие принципы квантовой теории поля позволяют сделать ряд глубоких выводов о св-вах ч-ц и А.: масса, спин, изотопический спин, время жизни ч-цы и её А. должны быть одинаковыми (в частности, стабильным ч-цам отвечают стабильные А.); одинаковыми по величине, но противоположными по знаку должны быть не только электрич. заряды (и магн. моменты) ч-цы и А., но и все остальные квант. числа, к-рые приписываются ч-цам для описания закономерностей их вз-ствий: барионный заряд, лептонный заряд, странность, «очарование» и др. Ч-ца, у к-рой все хар-ки, отличающие её от А., равны нулю, наз. истинно нейтральной; ч-ца и А. таких ч-ц тождественны. К ним относятся, напр., фотон, p0- и h-мезоны, J/y- и Y-частицы.

До 1956 считалось, что имеется полная симметрия между ч-цами и А. Это означает, что если возможен к.-л. процесс между ч-цами, то должен существовать точно такой же процесс и между А. В 1956 было обнаружено, что такая симметрия имеется только в сильном и эл.-магн. вз-ствии. В слабом вз-ствии было открыто нарушение симметрии частица-А. (см. ЗАРЯДОВОЕ СОПРЯЖЕНИЕ). Из А. в принципе может быть построено антивещество точно таким же образом, как в-во из ч-ц. Однако возможность аннигиляции при встрече с ч-цами не позволяет А. сколько-нибудь длит. время существовать в в-ве. А. могут долго «жить» только при условии полного отсутствия контакта с ч-цами в-ва. Свидетельством о наличии антивещества где-нибудь «вблизи» от Вселенной было бы мощное аннигиляц. излучение, приходящее на Землю из области соприкосновения в-ва и антивещества. Но пока астрофизике не известны данные, к-рые говорили бы о существовании во Вселенной областей, заполненных антивеществом.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

АНТИЧАСТИЦЫ

- элементарные частицы, имеющие те же значения масс, спинов и др. физ. характеристик, что и их "двойники" - "частицы", но отличающиеся от них знаками нек-рых характеристик взаимодействия ( зарядов, напр. знаком электрич. заряда).

Существование А. было предсказано П. A. M. Дираком (P. A. M. Dirac). Полученное им в 1928 квантовое релятивистское ур-ние движения электрона (см. Дирака уравнение )с необходимостью содержало решения с отрицат. энергиями. В дальнейшем было показано, что исчезновение электрона с отрицат. энергией следует интерпретировать как возникновение частицы (той же массы) с положит. энергией и с положит. электрич. зарядом, т. е. А. по отношению к электрону. Эта частица - позитрон - открыта в 1932.

В последующих экспериментах было установлено, что не только электрон, но и все остальные частицы имеют свои А. В 1936 в космич. лучах были открыты мюони его А. , а в 1947 - - и -мезоны, составляющие пару частица А.; в 1955 в опытах на ускорителе зарегистрирован антипротон, в 1956 - антинейтрон и т. д. К наст. времени наблюдались А. практически всех известных частиц, и не вызывает сомне-' ния, что А. имеются у всех частиц.

Существование и свойства А. определяются в соответствии с фундам. принципом квантовой теории поля - её инвариантностью относительно СРТ -преобразования (см. Теорема CPT). Из CPТ -теоремы следует, что масса, спин и время жизни частицы и её А. должны быть одинаковыми. В частности, стабильным (относительно распада) частицам соответствуют стабильные А. (однако в веществе сколько-нибудь длительное существование их невозможно из-за аннигиляции с частицами вещества). Состояния частиц и их А. связаны операцией зарядового сопряжения.

Поэтому частица и А. имеют противоположные знаки электрич. зарядов (и магн. моментов), имеют одинаковый изотопический спин, но отличаются знаком его третьей проекции, имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку странность, очарование, красоту и т. д. Преобразование комбинированной инверсии (CP )связывает спиральные состояния частицы с состояниями А. противоположной спиральности. Частицам и их А. приписываются одинаковые по величине, но противоположные по знаку барионное и лептонное числа.

Вследствие инвариантности относительно зарядового сопряжения ( С -инвариантности) сильного и эл.-магн. взаимодействий связанные соответствующими силами составные объекты из частиц (атомные ядра, атомы) и из А. (ядра и атомы антивещества )должны иметь идентичную структуру. По той же причине совпадает структура адронов и их А., причём в рамках модели кварков состояния антибарионов описываются точно так же, как состояния барионов с заменой составляющих кварков на соответствующие им антикварки. Состояния мезонов и их А. отличаются заменой составляющих кварка и антикварка на соответствующие антикварк и кварк. Для истинно нейтральных частиц состояния частицы и А. совпадают. Такие частицы обладают определёнными зарядовой чётностью (С-чёт-ностью) и СР -чётностью. Все известные истинно нейтральные частицы - бозоны (напр., -мезоны - со спином - со спином 1), однако в принципе могут существовать и истинно нейтральные фермионы (т. н. майорановские частицы).

Слабое взаимодействие не инвариантно относительно зарядового сопряжения и, следовательно, нарушает симметрию между частицами и А., что проявляется в различии нек-рых дифференц. характеристик их слабых распадов.

Если к.-л. из квантовых чисел электрически нейтральной частицы не сохраняется строго, то возможны переходы (осцилляции) между состояниями частицы и её А. В этом случае состояния с определённым несохраняющимся квантовым числом не являются собств. состояниями оператора энергии-импульса, а представляют собой суперпозиции истинно нейтральных состояний с определ. значениями массы. Подобное явление может реализовываться в системах и т. п.

Само определение того, что называть "частицей" в паре частица-А., в значит. мере условно. Однако при данном выборе "частицы" её А. определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барионов определить "частицу" в любой паре барион-антибарион. Выбор электрона как "частицы" в паре электрон-позитрон фиксирует (вследствие сохранения лептонного числа в процессах слабого взаимодействия) определение состояния "частицы" в паре электронных нейтрино-антинейтрино. Переходы между лептонами разл. поколений (типа ) не наблюдались, так что определение "частицы" в каждом поколении лептонов, вообще говоря, может быть произведено независимо. Обычно по аналогии с электроном "частицами" называют отрицательно заряж. лептоны, что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино. Для бозонов понятие "частица" может фиксироваться определением, напр., гиперзаряда.

Рождение А. происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-А. (см. Рождение пар). В лаб. условиях А. рождаются во взаимодействиях частиц на ускорителях; хранение образующихся А. осуществляют в накопительных кольцах при высоком вакууме. В естеств. условиях А. рождаются при взаимодействии первичных космич. лучей с веществом, напр., атмосферы Земли, а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер галактик. Теоретич. астрофизика рассматривает образование А. (позитронов, антинуклонов) при аккреции вещества на чёрные дыры. В рамках совр. космологии рассматривают рождение А. при испарении первичных чёрных дыр малой массы.

При темп-pax, превышающих энергию покоя частиц данного сорта (использована система единиц = 1), пары частица-А. присутствуют в равновесии с веществом и эл.-магн. излучением. Такие условия могут реализовываться для электрон-позитронных пар в горячих ядрах массивных звёзд. Согласно теории горячей Вселенной, на очень ранних стадиях расширения Вселенной в равновесии с веществом и излучением находились пары частица-А. всех сортов. В соответствии с моделями великого объединения эффекты нарушения C- и СР-инвариантности в неравновесных процессах с несохранением барионного числа могли привести в очень ранней Вселенной к барионной асимметрии Вселенной даже в условиях строгого начального равенства числа частиц и А. Это даёт физ. обоснование отсутствию наблюдат. данных о существовании во Вселенной объектов из А.

Лит.: Дирак П. A. M., Принципы квантовой механики, пер. с англ., 2 изд., M., 1979; Нишиджима К., Фундаментальные частицы, пер. с англ., [M.], 1965; Ли Ц., Ву Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., M., 1968; 3ельдович Я. В., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, M., 1975. M. Ю. Хлопов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.