Реферат: Античастицы. Античастицы

Антивещество — материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 году английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица — протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. Это следует из общих принципов квантовой теории поля и подтверждается надежными экспериментальными данными.

С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них — частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e — , m — , t — , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа — это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (g, Z 0), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W + , W —) также образуют пары частица — античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав (), антинейтрон — (). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: p — — мезон состоит из кварков (), а p + мезон состоит из кварков (). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки (например, p 0 ,r,h- мезоны, куда входят пары кварков , и ); также мезоны будут истинно нейтральными.

Характерная особенность поведения частиц и античастиц — их аннигиляция при столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е — + е + ®g + g. Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е — + е + ®m — + m + . В таких реакциях были открыты «очарованные» и «прелестные» частицы. В аналогичном процессе е — + е + ®t — + t + открыли тяжелый t - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

Операция замены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так как истинно нейтральные частицы тождественны своим античастицам, то при операции зарядового сопряжения они переходят сами в себя.

В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами. Подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра.

В 1965 году на ускорителе в США был получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития — тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом.

Ведь аннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 10 14 Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества.

Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах около 10 13 К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один «лишний» протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов (10 -9) и дало сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.

Откуда же взялся этот избыток? Одна из гипотез предполагает, что в начальном состоянии число частиц и античастиц совпадало, но затем из-за особенностей в динамике их взаимодействия возникла асимметрия.

Аннигиляция — это единственный процесс, в котором исчезает обе начальные частицы и вся их масса полностью переходит, например, в энергию фотонов. Никакая другая реакция, используемая в энергетике, таким свойством не обладает. И при делении урана, и в процессах термоядерного синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть (порядка десятых долей процента) массы покоя частиц, участвующих в реакции. Поэтому аннигиляция антивещества с веществом даёт в тысячу раз больше энергии, чем при делении такогоже количества урана. Если бы в нашем распоряжении была небольшая планетка из антивещества, то все проблемы с энергетическим кризисом сразу отпали. Предположим мы научились бы переводить всю энергию аннигиляции в электрическую. Тогда для того, чтобы обеспечить планету годовым запасом электроэнергии, надо отколоть от планеты и подвергнуть аннигиляции всего лишь 1000-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 1000 килограмм с сотнями миллионов тонн угля и нефти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу!

Сколько энергии выделяется на 1 грамм топлива

1. Аннигиляция вещества и антивещества 10 14 джоулей

2. Деление урана 10 11 джоулей

3. Сжигание угля 2,9ž10 4 джоулей

Антивещество было бы идеальным топливом ещё и потому, что оно не загрязняет окружающую среду. После аннигиляции в конечном счёте остаются только фотоны высокой энергии и нейтрино.

Нашу Землю регулярно бомбардирует поток космических лучей — частиц высоких энергий, которые генерируются при различных процессах, происходящих в нашей Галактике. Большую часть этих частиц составляют протоны и ядра гелия.

Но недавно, в 1979 году, в космических лучах были найдены и антипротоны. Об этом сообщили сразу две группы: советские физики из Ленинградского физико-технического института имени А. И. Иоффе и американские учёные из Центра космических полётов имени Л. Джонсона. Позитрон был обнаружен в космических лучах в 1932 году. Такой большой промежуток времени между открытием в космических лучах позитрона и антипротона объясняется тем, что антипротон намного сильнее взаимодействует с веществом, чем позитрон. антипротоны из космоса не успевают дойти до поверхности Земли, они аннигилируют уже в самых верхних слоях атмосферы. Именно поэтому поиск антипротонов в космических лучах представляет собой сложную техническую задачу. Надо поднять детектор как можно выше, к границе атмосферы. Все эксперименты по поиску античастиц в космических лучах были выполнены на аэростатах. Например, в опытах Р. Голдена воздушный шар поднимал на высоту 36 километров примерно 2 тонны аппаратуры.

Реферат по физике на тему: Античастицы.

Реферат на тему: Античастицы

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 частицы - 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 её остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несёт 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 аннигиляция - 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 нём 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 неё 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) (1905–1991) 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 идёт, 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.

Открытие в 1932 г. К. Андерсоном позитрона стало исключительно важным событием в понимании окружающего мира. Позитрон по своим характеристикам идентичен электрону, но имеет положительный электрический заряд, Открытие позитрона восстановило зарядовую симметрию мира. Была решена одна из загадок устройства окружающего мира: почему единичный положительный электрический заряд существует у тяжелого протона, а отрицательный электрический заряд - у лёгкого электрона.

Рис. 12. Позитрон, зарегистрированный в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая линия, идущая снизу вверх − след позитрона. Темная полоса, пересекающая камеру Вильсона посередине − слой вещества, в котором позитрон теряет часть энергии и на выходе из которого он движется с меньшей скоростью. Поэтому после прохождения слоя вещества след позитрона искривлен сильнее.

Позитрон, так же как электрон, является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении позитрона и электрона происходит их аннигиляция − электрон и позитрон исчезают и вместо них рождаются два γ‑кванта

e + + e − → 2γ.

Две частицы, имеющие массу (электрон, позитрон) превращаются в два γ‑кванта, имеющие нулевую массу. Превращение массивных частиц в частицы нулевой массы явилось одним из ярких подтверждений эквивалентности массы и энергии

E = mc 2 .

Античастицы. История открытий

1932 г. Позитрон
1955 г. Антипротон
1956 г. Антинейтрон
1966 г. Антидейтерий
1970 г. Антигелий
1998 г. Антиводород

Каждый лептон и кварк имеют аналог − античастицу. Античастицы отличаются от частицы заменой всех зарядов (электрического, барионного, лептонного, ароматов кварков) на противоположный. Ряд характеристик частицы и античастицы совпадают (масса, спин). Связь характеристик частиц и античастиц показана в таблице 4.

Таблица 4

Связь характеристик частицы и античастицы

Характеристика		Античастица
Электрический заряд
Магнитный момент
Барионное число
Лептонное число	L e , +L μ , +L τ	L e , -L μ , -L τ
Странность
Очарование (Charm)
Проекция изоспина
Четность
Время жизни
Схема распада		Зарядово сопряженная

Сильновзаимодействующие частицы, состоящие из кварков, называются адронами. Так хорошо известные нам адроны − протон и нейтрон − состоят из u и d кварков.

p ≡ uud, n ≡ udd

Рис. 13. Типы адронов и их кварковый состав

Адроны существуют трёх типов: барионы, мезоны и антибарионы. На рис. 13 показаны типы адронов и их кварковый состав.
Барионы состоят из трёх кварков. Мезоны состоят из кварка и антикварка. Антибарионы состоят из трёх антикварков.

Для того чтобы правильно описать квантовые свойства адронов кваркам приписали ещё одно квантовое число цвет − условное название внутренней степени свободы каждого из шести кварков. Обычно используют три цвета: красный (к), зеленый (з), синий (с). Антикварки имеют антицвет , , . Кварки внутри адрона связаны глюонами. В нашем мире адроны должны быть бесцветными состояниями системы кварков и глюонов. Поэтому мы не видим отдельные цветные кварки, а видим их бесцветные комбинации в виде адронов.

Таблица 5

Некоторые мезоны

	Кварковый состав	Масса, Mc 2 (МэВ)	Время жизни (сек) или ширина	Спин-четность, изоспин J P (I)			Основные моды распада
K 0 ,K 0				0 - (1/2) 0 - (1/2)			π + π - , π 0 π 0
ρ ± ρ 0
							K + K - ,π + π - π 0
							K + другие частицы, e + другие, μ + другие
D 0 ,D 0
							K + другие
							D 0 +др, D*+др
							ν+др, D + +др, D*+др
							адроны, e + e - ,μ + μ -
							τ + τ - ,e + e - ,μ + μ -

Таблица 6

Некоторые барионы