Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.6. Античастинки, антивещество

Одно из важнейших достижений современной физики - открытие особой симметрии природы, которая заключается в том, что у каждой частицы вещества существует «двойник» - античастица. Она имеет ту же массу и спин, но противоположный знак электрического и других характерных зарядов. На существование в природе такой симметрии впервые указал (1928 г.) П. Дирак.

Первой открытой античастицей был позитрон (антиелектрон), обнаруженный в 1932 г. в составе космического излучения. За более чем двадцать лет в экспериментах на ускорителях высоких энергий были открыты антипротон и антинейтрон. Затем на ускорителях удалось наблюдать большую группу нестабильных частиц - антигіперонів. В частности, одна из таких частиц - анти-сигма-минус-гиперон - была открыта на синхрофазотроні в ОИЯИ м. Дубны. Античастинки могут рождаться только в паре со своим двойником - обычной частицей. Энергия, затрачиваемая на образование пары частицы - античастинки, равна 2mc², где m - масса частицы. Например, в случае рождения пары электрон - позитрон расходуется энергия 1,02 Мэв.

Все эти античастинки относятся к класса элементарных частиц. Из теоретических представлений следует, что наряду с элементарными античастинками должны существовать их составляющие системы - антиядра, составными элементами которых являются антипротони и антинейтрони. Более того, атома каждого химического элемента в таблице Д. И. Менделеева соответствуют атомы антиелементів, состоящие из антиядер и антиелектронів (позитронов). Следовательно, рядом с любым химическим соединением обычного вещества могут существовать аналогичные химические соединения, построенные из атомов антивещества. Иначе говоря, современная теория предполагает, что во Вселенной могут существовать участки с антивеществом. Они отличаются от обычного вещества лишь тем, что вместо электронной оболочки «обычных» атомов в «антиатомах» оболочка состоит из позитронов, а вместо атомных ядер содержатся соответствующие антиядра.

Характерной особенностью взаимодействия частиц с античастинками является то, что при столкновении они могут аннигилировать, точнее превращаться в излучение или частицы меньшей массы. Так, позитрон, столкнувшись с электроном, может превратиться в два или три γ-кванты (см. подраздел 17.12), антипротон при столкновении с протоном - в несколько мезонов, которые потом или поглощаются веществом, или распадаются. Через реакцию аннигиляции «антивещество» не может стабильно существовать вместе с веществом. В такой «смеси» непрерывно уничтожались бы частицы и античастинки до тех пор, пока один из ее компонентов полностью не «выгорел». Поскольку при аннигиляции выделяется значительная энергия, смесь вещества и антивещества составляет «идеальное» топливо максимально возможной калорийности. Оно примерно в тысячу раз калорийнее от топлива на основе ядерного деления. В результате большого энерговыделения при аннигиляции вещества и антивещества гипотеза существования «антисвітів» (то есть участков, состоящих из антивещества) часто использовалась астрофизиками для объяснения непонятных мощных источников излучения во Вселенной.

С вводом в эксплуатацию мощных ускорителей элементарных частиц на энергию в десятки миллиардов электрон-вольт существенно расширились возможности экспериментального изучения антивещества. Дело в том, что для рождения античастиц при столкновении частиц высокой энергии важно, чтобы энергия бомбардуючої частицы была достаточно большой. Например, реальная возможность наблюдений антипротонов появилась тогда, когда были построены ускорители протонов до энергий 6... 10 Гэв. На ускорителе, рассчитанном на энергии около 30 Гэв, было обнаружено антидейтерій.

Первое антиядро-антидейтрон получили в 1965 г. американские физики под руководством Л. Ледермана. Возможность же наблюдать антиядро следующего за гідрогеном элемента таблицы Д. И. Менделеева - гелия открылась, по сути, только с введением в эксплуатацию Серпухівського ускорителя протонов с максимальной энергией 76 Гэв. Ядро антигелію состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона.

Трудности, которые возникли перед экспериментаторами, заключались в том, что ядра антигелію нужно было искать среди большого количества других частиц, образующихся при столкновении частиц высоких енергій. их выделяли из массы других частиц одновременно по нескольким признакам, в частности по электрическим зарядом, скоростью движения частиц, которые определялись различными методами. Это дало возможность надежно зарегистрировать ядра антигелію. За время измерения через экспериментальную установку было пропущено более 2 ∙ 10¹¹ частиц, среди которых оказалось пять ядер антигелію. Открытие ядер антигелію имеет большое принципиальное значение, поскольку оно подтверждает теоретическую концепцию существования антивещества. А это, в свою очередь, будет способствовать глубокому пониманию процессов, которые происходят в Вселенной, а также его эволюции.

Если бы были возможны накопления антивещества, то процессы, которые в них могут происходить, не отличались бы от тех, что существуют в обычной веществе. Такое скопление антивещества, которое по своими масштабами эквивалентное, например, галактике, можно назвать антигалактикою.

Можно предположить, что наряду с галактиками существуют антигалак - тики. При соприкосновении с обычными антигалактик космическими образованиями должны происходить грандиозные катастрофы во Вселенной, которые сопровождаются грандиозными взрывами с выделением огромного количества излучения. Возможно, что этими процессами можно объяснить вспышки новых звезд и другие космические явления.