Античастицы

Для всякой известной элементарной частицы имеется вероятность найти античастицу — то есть частицу с той же массой, но противоположными другими физическими характеристиками.

В 1920-е годы — после введения принципов квантовой механики — субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.

Увы, столь простой картине мира суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету (см. Элементарные частицы), и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.

Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — «позитрон» (производное от «позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляци — обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году. Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта — собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson, 1905–91) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.

При помощи этого аппарата, получившего название конденсационная камера, Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью. По интенсивности трека, оставленного частицей, он мог судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. К 1932 году ему удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess, 1883–1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей. — Прим. переводчика.) Это был первый (и, пока что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!

Хотя вышеописанный пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание - проверка» в рамках научного метода, описанного во Введении, историческая реальность представляется не столь простой, как кажется. Дело в том, что Андерсон, судя по всему, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идет, скорее, об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона.

Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

См. также:
Ядерный распад и синтез
Критерий Лоусона
Поль Адриан Мориc ДИРАК
Поль Адриан Мориc ДИРАК
Paul Adrian Maurice Dirac, 1902–84

Британский физик-теоретик. Родился в Бристоле в семье иммигрантов из Швейцарии. Отец Дирака преподавал французский на своей новой родине и, по рассказам, не желал разговаривать с сыном иначе, чем на их родном французском языке: отсюда, вероятно, и та молчаливость, которой всю жизнь отличался Поль Дирак. В 1921 году Дирак окончил Бристольский электротехнический институт (теперь Бристольский университет), после чего отправился преподавать математику и физику в Кембридж, где в 1926 году получил докторскую степень, а еще шесть лет спустя стал почетным профессором математики — и занимал этот престижный пост в течение почти сорока лет. Ещё до защиты докторской диссертации Дирак успел опубликовать ряд важных статей по квантовой механике.

В 1928 году Дирак опубликовал работу, впервые объясняющую поведение электрона с точки зрения сочетания принципов теории относительности и квантовой механики. Именно в этой работе было предсказано существование античастиц, и за неё Дирак несколько позже в 1933 году получил Нобелевскую премию по физике, разделив ее с Эрвином Шрёдингером.


25
Показать комментарии (25)
Свернуть комментарии (25)

  • Fedor Сумкин  | 29.03.2007 | 12:16 Ответить
    А инкто не задумался какая античастица соотвествует нейтрону?
    Ответить
    • iaaa > Fedor Сумкин | 16.05.2007 | 23:39 Ответить
      Вы, наверное, не поверите, но, представьте себе, это антинейтрон.
      Ответить
      • ksv > iaaa | 11.12.2007 | 20:02 Ответить
        Если нейтрон состоит из протона, электрона и ещё чего-то, то антинейтрон, по-видимому, должен состоять из антипротона, позитрона и анти ещё чего-то
        Ответить
        • Свихнувшийся > ksv | 09.02.2008 | 21:21 Ответить
          При бета роспаде ядра атома нейтрон превращается в протон ЕЛЕКТРОН и АНТИНЕЙТРИНО. И было установлено что протон превращается в нейтрон ПОЗИТРОН и НЕЙТРИНО.
          Заметьте, что нейтрон не распадается а превращается!!! Соотвестственно в самом нейтроне не присутствуют протон електрон и антинейтрино.
          Ответить
    • attila > Fedor Сумкин | 28.03.2008 | 10:21 Ответить
      Свихнувшийся прав (как не коробит слух это словосочетание).
      Симметрия в данном случае кроется несколько глубже, чем симетрия положительно и отрицательно заряженных частиц. В данном случае она выполняется на наборах квантовых чисел. Но что интересно, даже на них имеет место асимметрия. Наглядно это можно представить так, что Вы и Ваше зеркальное отражение выглядят одинаково.
      Ответить
  • ddn  | 02.02.2008 | 08:31 Ответить
    А у фотона есть античастица?
    Ответить
    • Свихнувшийся > ddn | 09.02.2008 | 21:24 Ответить
      Античастицы нету покачто у фотона и пи-ноль мезона.
      Ответить
      • ddn > Свихнувшийся | 14.03.2008 | 08:16 Ответить
        Патамучто это не частицы
        Ответить
    • Oля > ddn | 10.05.2010 | 11:52 Ответить
      Есть, но она совпадает с обычной частицей. Можно считать, что нет.
      Ответить
  • ddn  | 14.03.2008 | 08:18 Ответить
    А возможна перекрестная аннигиляция между разными частицами и античастицами?
    Ответить
    • ddn > ddn | 14.03.2008 | 08:19 Ответить
      Например между антинейтроном и протоном
      Ответить
    • attila > ddn | 28.03.2008 | 10:39 Ответить
      Да.
      Термин частица употребляется по привычке. Взаимодействуют и в том числе анигилируют наборы квантовых чисел. В этом смысле в предыдущем посте Вы не правы по отношению к фотонам и пи-0-мезонам (зачэм так сказал, да!) - у них свои наборы квантовых чисел и соответственно, они полноправные частицы. Если бы это было не так, то как объяснить рождение из фотонов пар вполне материальных частиц, например электрон -позитрон или протон-антипротон - на сколько хватит исходной энергии.
      Ответить
      • Истинов > attila | 13.04.2008 | 11:57 Ответить
        С чего все решили, что каждой частице соответствует античастица. Один выдвинул предположение, а остальные даже не подумав немного, повелись. До сих пор никто не знает строение ядра и атома и учёные смело утверждают, что существуют античастицы. Ни один эксперимент этого не подтвердил. Всё это фантазия учёных физиков. Много чего в современной физике фантазия.
        Ответить
        • jooher > Истинов | 06.10.2008 | 14:59 Ответить
          Подтверждения каждого пункта требует бухгалтерия а не фундаментальная физика. Если Вы никогда в жизни не видели и не увидите кенгуру - еще не значит что их не существует.
          Ответить
  • sfv  | 10.06.2008 | 13:35 Ответить
    Я считаю, что античастицы-топливо бубующего. хранить его можно в магнитных вакуумных ловушках.
    Ответить
    • jooher > sfv | 06.10.2008 | 14:49 Ответить
      Ага. А еще они лекарство от рака и кариеса бубующего, а также средство от ржавчины бубующего.
      Ответить
  • evgeniy yakubovski  | 22.11.2008 | 09:53 Ответить
    Оказывается, что все фундаментальные законы физики не изменятся, если ввести мнимое время и мнимые координаты. При этом необходимо ввести мнимую энергию, массу и импульс. Мнимому пространству соответствует открытая модель пространства-времени, а действительному пространству соответствует закрытая космологическая модель. Получено преобразование координат, которое разбивает пространство на действительное и мнимое. При этом при переходе через эту границу, фаза волны изменяет свой знак, значит частица превращается в античастицу и наоборот. Но надо сказать, что законы физики в обоих простанствах одинаковы, особенности возникают только на границе.
    Ответить
    • Kolobok > evgeniy yakubovski | 05.02.2009 | 23:35 Ответить
      Оказывается, что логика не пострадает, если любую хрень представлять в виде произведения двух равноправных составляющих истины и антиистины. При этом необходимо ввести также понятия лжи и антилжи. Истине и антилжи соответствует более или менее вразумительное представление о предмете обсуждения, а антиистине и лжи всякая хрень. Получен также способ преобразования истины, который разбивает истину на хрень и антиистину. При этом, путём заумного словоблудия, истина превращается во всякую хрень и наоборот. Но надо сказать, что законы логики в обоих случаях одинаковы, особенности возникают только во время заумного словоблудия.
      Ответить
      • BHE > Kolobok | 21.11.2009 | 18:34 Ответить
        5 баллов! ))
        Ответить
      • Catch > Kolobok | 18.04.2011 | 01:02 Ответить
        Колобок рулит! Кому-нибудь знакомы такие слова, как гештальт, дзен, инь-ян?
        Ответить
      • SoKoBaN > Kolobok | 13.09.2011 | 16:11 Ответить
        Супер! Плюсую!
        Ответить
      • PH > Kolobok | 26.02.2015 | 16:44 Ответить
        Классно развел антилогику
        Ответить
  • Mopo3  | 07.01.2011 | 10:18 Ответить
    Напишите пожалуйста подробнее про фатоны
    Ответить
    • SoKoBaN > Mopo3 | 13.09.2011 | 16:10 Ответить
      Подробнее: фАтонов НЕТ!
      Ответить
  • rayroko  | 17.10.2011 | 09:15 Ответить
    Интересно, чем переводчику не понравилось русское слово "дорожка" и почему track надо было перевести в трек. Или это профессиональный физический жаргон?
    Ответить
Написать комментарий

1897
1900
1905, 1916
1911
1925
около 1930
Античастицы
Карл Андерсон в 1931 году в лаборатории Гуггенхайм с конденсационной камерой, в которой ему удалось впервые обнаружить предсказанное Полем Дираком антивещество

Карл Андерсон в 1931 году в лаборатории Гуггенхайм с конденсационной камерой, в которой ему удалось впервые обнаружить предсказанное Полем Дираком антивещество

Элементы

© 2005-2017 «Элементы»