Античастицы

АНТИЧАСТИЦЫ, элементарные частицы, имеющие те же значения массы, спина и других физических характеристик, что и их двойники - частицы, но отличающиеся от них знаком некоторых характеристик (например, электрического заряда, магнитного момента, барионного числа). Сами названия «частица» и «античастица» в известной мере условны: можно было бы назвать позитрон частицей, а электрон – античастицей. Однако, поскольку атомы вещества в наблюдаемой нами Вселенной содержат электроны и протоны, для известных к началу 1920-х годов элементарных частиц - электрона и протона (а позднее и нейтрона) - было принято название «частица».

Вывод о существовании античастицы впервые сделан в 1930 году П. Дираком. Он получил уравнение, описывающее поведение электрона (частицы со спином 1/2) не только при низких, но и высоких энергиях, и показал, что это уравнение обладает новой симметрией и описывает также поведение частицы с положительным зарядом - позитрона - с той же массой и спином, что и электрон. Из теории Дирака следовало, что столкновение частицы и античастицы должно приводить к аннигиляции, то есть к исчезновению пары частица-античастица, в результате чего рождаются две (или более) другие частицы, например фотоны (смотри Аннигиляция и рождение пар). В 1932 году позитроны были экспериментально обнаружены в космических лучах К. Андерсоном, что явилось блестящим подтверждением теории Дирака. С этого времени начались поиски других античастиц. В 1936 году в космических лучах обнаружена ещё одна пара частица-античастица: положительный и отрицательный мюоны (μ+ и μ-). В 1947 году установлено, что мюоны космических лучей возникают в результате распада более тяжёлых частиц - пи-мезонов (π+ и π- ). В 1955 году на ускорителе в Беркли (США) зарегистрирован антипротон, в 1956 - антинейтрон, а затем множество других античастиц.

Существование и свойства античастицы определяются в соответствии с фундаментальным принципом квантовой теории поля - её инвариантностью относительно СРТ-преобразований. Из СРТ-теоремы следует, что масса, спин и время жизни частицы и её античастицы должны быть одинаковыми. Вследствие инвариантности относительно зарядового сопряжения (С-инвариантности) и пространственного отражения (Р-инвариантности) сильного и электромагнитного взаимодействий ядра и атомы антивещества должны иметь идентичную структуру. По той же причине совпадает структура адронов и их античастиц, причём в рамках кварковой модели состояния антибарионов описываются точно так же, как состояния барионов с заменой составляющих их кварков на соответствующие антикварки. Состояния мезонов и их античастиц отличаются заменой составляющих кварка и антикварка на соответствующие антикварк и кварк. Для истинно нейтральных частиц состояния частицы и античастицы совпадают.

В 1960-х годах создана стандартная модель электрослабого взаимодействия, которая поразительно точно предсказала существование и свойства W±- и Z-бозонов, которые были открыты в 1983 году. Слабое взаимодействие не инвариантно относительно зарядового сопряжения и, следовательно, нарушает симметрию между частицами и их античастицами. В 1964 году обнаружено нарушение СР инвариантности в распадах нейтральных К -мезонов.

В соответствии с моделями Великого объединения эффекты нарушения 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 античастиц. Из этого вытекает физическое обоснование отсутствия наблюдательных данных о существовании во Вселенной объектов из античастиц.

Лит.: Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. 2-е изд., М., 1988.

В. Я. Файнберг.

Связанные статьи