Сегодня я хочу рассказать Вам об антиматерии и античастицах. Я постараюсь Вам просто и понятно объяснить, что это такое, как учёные доказали существование античастиц и какими интересными свойствами они обладают.

Ну что, поехали!

Что такое антиматерия?

Все объекты во Вселенной состоят из материи. Её формирует множество элементарных частиц — нейтрино, электроны, кварки, и многие другие.

Но помимо них, в природе есть кое-что ещё. Нет, это не тёмная материя. И даже не тёмная энергия. Речь идёт о такой субстанции, как антиматерия (или антивещества). Что же это такое?

Антиматерия — это материя, состоящая из античастиц. Думаю, Вы удивитесь, когда узнаете, что в видимой части Вселенной из неё не сделаны никакие объекты. Ни звёзды, ни планеты, ни туманности. Совсем ничего, если верить результатам наблюдений.

На данный момент считается, что в самые первые мгновения после Большого Взрыва во Вселенной находилось равное количество вещества и антивещества. По идее, вся материя и антиматерия должны были уничтожить друг друга (скоро Вы узнаете, почему). Космос в таком случае был бы заполнен только излучением.

К счастью, этого не случилось. По какой-то причине во Вселенной стало больше материи, чем антивещества. После глобальной аннигиляции вся антиматерия исчезла, а в мире осталась часть нетронутых частиц обычной материи. Впоследствии, из них сформировались все объекты во Вселенной.

Казалось бы, что плохого? Нам хорошо — благодаря такому случаю мы сейчас существуем. Однако учёным не нравится столь значительное преобладание материи над антиматерией. Почему?

Всё дело в том, что столпы современной космологии — теория относительности и Стандартная модель (теория строения и взаимодействия частиц) — не могут объяснить этот наблюдательный факт. Он получил название «барионной асимметрией Вселенной» и является одной из самых больших нерешённых проблем физики.

Конечно, за долгие годы насилия мозгов учёных родились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эту загадочную асимметрию. Но ни одна из них пока ещё не доказана.

Тогда возникает вполне логичный вопрос как учёные вообще могут предполагать о существовании антивещества? Почему оно должно (или должно было) присутствовать в природе? Всё просто. Да, во Вселенной (по крайней мере, в её видимой части) нет объектов из антиматерии. Но Физики умудрились найти то, из чего она должна состоять — античастицы.

Что такое античастицы?

Очевидно, приставка «анти» показывает, что античастицы — это такие штуки, которые противоположны обычным частицам. Но что конкретно они из себя представляют?

Античастица — это двойник некоторой частицы, который отличается от неё знаками электрического заряда и некоторых других характеристик. Однако величины тех характеристик, а также массы, время жизни и спины совпадают.

Спин — это собственный момент импульса частицы. Спин характеризует тот факт, что частицы ведут себя так, как будто бы они вращаются вокруг своей оси. Измеряется в единицах ħ (постоянная Дирака). Спин может быть равен единице, нулю, 1/2 и двум.

Чтобы было понятнее, сравним электрон и его античастицу, т.е позитрон.

Электрон (e) — является частицей из класса лептонов, обладает отрицательным электрическим зарядом, лептонным числом +1 спином 1/2 и не способен распадаться.

Позитрон (e+) — является античастицей электрона (следовательно, ещё и антилептоном), обладает положительным электрическим зарядом, лептонным числом -1, спином 1/2, массой электрона и тоже не распадается.

Как Вы видите, числовые значения величин у частицы и античастицы одинаковы. Электрон и позитрон отличаются друг от друга только знаками электрического заряда и лептонного числа.

У всех ли частиц есть такие двойники? Да. Однако есть частицы, которые тождественно совпадают со своими античастицами. В таком случае их называют «истинно нейтральными». Самые яркие примеры таких частиц — это фотон (фундаментальная частица (квант) света и электромагнитного излучения вообще) и бозон Хиггса.

Хочется отметить, что электрически нейтральные частицы могут и не совпадать со своими античастицами. К примеру, несмотря на то, что электрический заряд нектрона равен нулю, в природе существует антинейтрон. Он отличается от обычного знаками магнитного момента.

Магнитный момент — физическая величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Магнитный момент частиц обусловлен наличием у них спина.

Из-за того, что частицы и античастицы обладают противоположными знаками, у них есть одно интересное свойство — они взаимоуничтожаются при контакте друг с другом. Это явление называется «аннигиляцией».

Принцип аннилигиляции легко понять на примерах. Самый просто из них: представить частицу и античастицу в виде чисел с разными знаками. Пусть позитрон будет числом «1», а электрон — «-1». Модули у чисел равны, но знаки противоположны. Если сложить 1 и -1 (т.е 1+(-1)), то получится нуль. Числа взаимоуничтожаются друг друга. Тоже самое происходит с электроном и позитроном — они притягивают друг к другу из-за разных знаков и аннигилируют при столкновении.

Рассмотрим второй пример. Представим ровное поле. Если взять лопату и вырыть в поле ямку, то появятся два объекта — ямка и кучка грунта возле неё. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта» — античастица. Засыпем ямку ранее извлечённым из нее грунтом, и не станет ни ямы, ни кучи (та же аннигиляция). Перед нами снова предстанет ровное поле.

В процессе аннигиляции выделяется огромное количество энергии, которое сразу же идёт на образование новых частиц. Чаще всего возникают фотоны. Но при определённых условиях могут рождаться и другие частицы. Например, нейтрино и антинейтрино, которые вскоре сталкиваются друг с другом и превращаются в ещё одну вспушку фотонов.

Схема аннигиляции электрона и позитрона

Схема аннигиляции электрона (e) и позитрона (e+) при низких энергиях.

В природе существует и обратный аннигиляции процесс — так называемое «рождение пар». Оно заключается в формировании пар «частица-античастица». Данное явление происходит при столкновениях обычных частиц вещества, разогнанных до энергий (скоростей), превышающих «порог рождение пар». Порог означает минимальное количество энергии, необходимое для формирования частицы и её «собрата».

Такие условия встречаются во Вселенной много где. Античастицы рождаются при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли. Не так уж и далеко, правда? :) Античастицы также возникают рядом с пульсарами и активными ядрами галактик, внутри массивных звёзд, при аккреции вещества чёрными дырами и т.д. Сейчас учёные способны создавать античастицы на различных ускорителях-коллайдерах.

Как открыли античастицы?

Конечно же, математики и физики не могли взять и выдумать всю эту чертовщину, обманув нас с Вами.

Значит, они выдвигали гипотезы, выводили тонны сложных формул, в которых чёрт ногу сломит, далее проверяли свои предположения экспериментами.

Так давайте же узнаем, как это всё происходило — как учёные открыли античастицы.

История начинается с 1928 года. Именно тогда физик-теоретик Поль Дирак вывел квантовое (волновое) уравнение движения электрона которое удовлетворяет требованиям теории относительности — «уравнение Дирака».

Поль Адриен Морис Дирак (1902-1984) — выдающийся английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике в 1933 году.

По сути, это релятивистское обобщение уравнения Шрёдингера — основного уравнения квантовой механики, описывающего движение частиц. Несмотря на это, оно оказалось очень важным для теоретической физики. Уравнение Дирака, к примеру, позволило естественным образом объяснить спин.

Это всё конечно, здорово, но причём здесь античастицы? Дело в том, что уравнение Дирака имеет решение. которые соответствуют состояниям с отрицательными значениями энергии для свободного движения частицы…

В общем, то была хрень, и причём довольно гнусная — она представляла для теории большую трудность, т.к. известные механические законы для частицы в таких состояниях оказались бы неверными.

Дираку ничего не оставалось делать, кроме как офигеть и думать дальше. В итоге, учёный обнаружил, что решение с отрицательной энергией можно истолковать как соотносящиеся к античастице. Иными словами, уравнение способно описать не только электрон с отрицательной энергией и зарядом, но и схожую частицу с той же массой, но положительными зарядом и энергией (позитрон).

К 1928 году физики никогда не наблюдали позитрон. Тогдашнее отсутствие доказательств существования в природе античастицы электрона указывало на «лишние решения» уравнение Поля Дирака. Так что можно было взять его теорию, предубеждённо налепить на нёё надпись «галимое дерьмо» и выкинуть в мусорку.

Но примерно в то же время один молодой учёный из Америки решил заняться изучением космических лучей. Его звали Карл Андерсон. Под руководством Роберта Милликена он направился на вершину Пайк в штате Колорадо, где собрал установку для регистрации космических лучей. Она состояла из камеры Вильсона, помещённой в сильное магнитное поле.

Карл Дейвид Андрсон (1905-1991) — американский физик экспериментатор, удостоен Нобелевской премии в 1936 году.

Камера Вильсона представляет собой один из первых в истории приборов для регистрации заряженных частиц. А именно — их треков (следов).

Принцип действия устройства основан на конденсации перенасыщенного пара. Когда в среду с таким паром внедряется заряженная частица, она сталкивается с атомами газа и появляются ионы — атомы с положительным или отрицательным электрическим зарядом. Ионы формируют центры конденсации пара, а на месте этих центров появляются маленькие капельки жидкости. В итоге появляется тонкая цепочка капель вдоль траектории заряженной частицы. Трек хорошо заметен человеческому глазу и его можно даже сфотографировать.

Если поместить камеру Вильсона в мощное магнитное поле, то заряженных частиц будет зафиксировано в разы больше. Но самое главное — по интенсивности трека в таком случае можно будет судить о массе частицы, а по характеру отклонения её траектории в магнитном поле — электрический заряд.

Долгие месяцы Карл Андерсон регистрировал заряженные частицы, прилетающие из космоса. И к 1932 году он обнаружил ряд удивительных столкновений, в результате которых появились частицы с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом — под воздействием магнитного поля они отклонялись в противоположную сторону по сравнению с электроном.

Наблюдение позитрона в камере Вильсона Карлом Андерсоном. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх — трек античастицы. Тёмная полоса, пересекающая след позитрона посередине — свинцовый экран толщиной 5 ммм. Попав в него, античастица утратила часть своей энергии. Потому, выйдя из слоя вещества, позитрон двигался уже с меньшей скоростью, и в итоге его траектория изогнута сильнее.

Так была впервые в истории экспериментально выявлена античастица. Карл Андерсон дал ей название «позитрон» (от словосочетания «positive electron«) и опубликовал полученные результаты. Через 4 года учёного наградили Нобелевской премией по физике.

Открытие позитрона стало триумфом теории Дирака. Мало того, выяснилось, что его уравнение оказалось справедливо и для других частиц, обладающих тем же спином, что и электрон (т.е 1/2) — для протона, нейтрино, мюона, и т.д. Следовательно, и они имеют собственные античастицы. Это указывало на возможность парной природы вообще всех элементарных частиц.

Данное предположение в будущем было подтверждено опытным путём. в 1936 году в космических лучах были найдены мюоны и их античастицы (тем же Карлом Андерсоном), а в 1947 году открыты пары мезон-антимезон. В 1955 году на ускорителям зарегистрировали антипротон, в 1956-м — антинейтрон. В 1970 году учёные сумели синтезировать на антигелий, в 1998-м — антиводород.

На сегодняшний день физики открыли античастицы всех известных частиц, и нет сомнений, что они имеются и у других, ещё не открытых кирпичиков, составляющих материю.

автор: DrSpace1 (Пикабу)

Всё об антиматерии и античастицах
25 оценок, Средняя оценка: 5 из 5

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *