Античастицы

10. Античастицы

Не вызывает сомнения тот факт, что каждая частица имеет «двойника» — античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что и частицы и некоторые характеристики с противоположным знаком. Связь характеристик частиц и античастиц приводится в таблице 10.1. Так у частицы и античастицы одинаковые массы, спины, изоспины, времена жизни; противоположные знаки электрических зарядов, магнитных моментов, барионных и лептонных зарядов, проекций изоспина, четности и др. Схемы распада частиц и античастиц − зарядово-сопряженные, например

n → p + e^- + _e,
→ + e⁺ + ν_e

Рис. 10.1. Образование пары Λ при столкновении p в пузырьковой камере.

В некоторых случаях частица и античастица тождественны. Такие частицы называются истинно нейтральными частицами. Истинно нейтральными частицами являются γ-квант, π⁰-мезон и некоторые другие мезоны. У истинно нейтральных частиц все характеристики частицы и античастицы совпадают. На рис. 10.1 показано образование пары Λ- и -гиперонов в реакции взаимодействия антипротона с протоном в пузырьковой камере + p → Λ + .
В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы большинства известных частиц. Частицы и античастицы равноправны. Можно было бы считать позитрон частицей, а электрон античастицей. Из античастиц можно построить антивещество точно так же, как из частиц – вещество. Однако в окружающей нас Вселенной присутствуют только частицы, так как аннигиляция частиц и античастиц приводит к тому, что античастицы, попадая в нашу Вселенную, быстро погибают. Антивещество может существовать так же долго, как и вещество, если они не вступают во взаимодействие. Одна из нерешённых на сегодня проблем − существуют ли Антимиры, состоящие из античастиц?

Таблица 10.1

Характеристики частиц и античастиц

Характеристика		Частица	Античастица
Масса		M
Спин		J
Чётность	фермион	+(-)1	-(+)1
Чётность	бозон	+(-)1	+(-)1
Электрический заряд		+(-)Q	-(+)Q
Магнитный момент		+(-)μ	-(+)μ
Барионное число		+B	-B
Лептонные числа		+L_e,+L_μ,+L_τ	-L_e,-L_μ,-L_τ
Изоспин		I
Проекция изоспина		+(-)I₃	-(+)I₃
Странность		-(+)s	+(-)s
Очарование (Charm)		+(-)c	-(+)c
Bottom		-(+)b	+(-)b
Top		+(-)t	-(+)t
Время жизни		τ
Схема распада (пример)		d → u + e^- + _e	→ + e⁺ + ν_e

Ф. Вилчек:«Все фундаментальные составляющие материи встречаются подходящими парами: для каждой частицы имеется античастица той же массы, но противоположная в других отношениях, таких, как электрический заряд. Симметричное удвоение частиц и античастиц требуется для соединения двух великих теорий в физике двадцатого века — релятивизма и квантовой механики. Эта симметрия хорошо подтверждена экспериментом. С 1932 г., когда был открыт позитрон (или антиэлектрон), каталог античастиц быстро рос вместе с каталогом частиц. В действительности частицу и ее античастицу часто открывали одновременно, когда обе они рождались парой в результате столкновения частиц в ускорителе при высоких энергиях. Такие столкновения всегда, кажется, порождают материю и антиматерию в равных количествах; действительно, долгое время считалось, что законы природы не отдают предпочтения материи или антиматерии.
И все же вне лаборатории, в окружающем нас мире, почти никогда не встречается антиматерия. Атомы, образующие Землю, состоят из нейтронов, протонов и электронов, но никогда из их античастиц. Преобладает ли эта асимметрия во всей Вселенной? То есть состоит ли Вселенная целиком в основном из материи с очень небольшой добавкой антиматерии? Если да, то всегда ли существовала асимметрия или Вселенная начиналась с равного количества частиц и античастиц, а дисбаланс каким-то образом развился позже?
Недавние открытия в космологии и физике частиц предлагают ответы на эти вопросы. Они наводят на мысль, что в первый момент после большого взрыва, когда Вселенная была гораздо горячее и плотнее, чем сейчас, имелись равные количества материи и антиматерии. Однако еще до того, как Вселенная достигла возраста 10^-35 с, частые столкновения между частицами создали условия, прямо ведущие к асимметрии между материей и антиматерией. С тех пор и навсегда асимметрия была заключена во Вселенную»[*].

[*] Вилчек Ф. «Космическая асимметрия между материей и антиматерией». УФН 136 149–165 (1982)