10. Античастицы


К. Андерсон
(1905–1991)

    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 = mc2.

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

Частица

Античастица

Масса

M

M

Электрический заряд

+(-)Q

-(+)Q

Спин

J

J

Магнитный момент

+(-)мю

-(+)мю

Барионное число

+B

-B

Лептонное число

+Le, +Lμ, +Lτ

-Le, -Lμ, -Lτ

Странность

+(-)s

-(+)s

Очарование (Charm)

+(-)c

-(+)c

Bottomness

+(-)b

-(+)b

Topness

+(-)t

-(+)t

Изоспин

I

I

Проекция изоспина

+(-)I3

-(+)I3

Четность

+(-)

-(+)

Время жизни

T

T

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.

Кварковая модель адронов

Кварки объединяются в сильновзаимодействующие частицы, называемые адронами. Существуют адроны трех типов.

  • Барионы, состоящие из трех кварков qqq. Барионы имеют барионное число B = 1.

  • Мезоны, состоящие из кварка и антикварка qantiq. Мезоны имеют барионное число B = 0.

  • Антибарионы, состоящие из трех антикварков antiqantiqantiq. Антибарионы имеют барионное число B = -1.

Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют его квантовые числа.

    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 antik, antiz, antic. 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

Частица

Кварковый состав

Масса, Mc2
(МэВ)

Время жизни (сек) или ширина

Спин-четность, изоспин
JP(I)

Основные моды распада

π+-

u, d

139.7

2.6·10-8

0-(1)

νμ+,antineutrinoμ-

π0

u-d

134.98

8.4·10-17

0-(1)

2гамма

K+,K-

u, s

494

1.2·10-8

0-(1/2)

K0,K0

d, s

498

0-(1/2)
0-(1/2)

π+π-, π0π0

η

u+d, s

547

1.2 кэВ

0-(0)

η'

u+d, s

958

0.20 МэВ

0-(0)

ρ±
ρ0

770

151 МэВ

1-(1)

ππ

ω

u+d

782

8.4 МэВ

1-(0)

π+π-π0

φ

s

1020

4.4 МэВ

1-(0)

K+K-+π-π0

D±

c, d

1869

1.1·10-12

0-(1/2)

K + другие частицы,

e + другие, μ + другие

D0,D0

c, u

1865

4.2·10-13

0-(1/2)

c, s

1969

4.7·10-13

0-(0)

K + другие

5279

1.6·10-12

0-(1/2)

D0+др, D*+др

0-(1/2)

ν+др, D++др, D*+др

J/ψ

c

3097

87 кэВ

1-(0)

адроны, e+e-+μ-

Y

b

9460

53 кэВ

1-(0)

τ+τ-,e+e-+μ-

Таблица 6

Некоторые барионы

Частица

Кварковый состав

Масса,
mc2
(МэВ)

Время жизни (сек) или ширина (МэВ)

Спин-четность, изоспин
JP(I)

Основные моды распада

p

uud

938.27

>1031 лет

1/2+(1/2)  

n

ddu

939.57

887+2

1/2+(1/2)

peantineutrino

Λ

uds

1116

2.6·10-10

1/2+(0)

-, nπ0

Σ+

uus

1189

0.80·10-10

1/2+(1)

0, nπ+

Σ0

uds

1193

7.4·10-20

1/2+(1)

Λγ 

Σ-

dds

1197

1.5·10-10

1/2+(1)

-

Ξ0

uss

1315

2.9·10-10

1/2+(1/2)

Λπ0

Ξ-

dss

1321

1.6·10-10

1/2+(1/2)

Λπ-

Ω-

sss

1672

0.82·10-10

3/2+(0)

ΛK-, Ξ0π-

      Δ++
      Δ+
      Δ0
      Δ

1230-1234

115-125

3/2+(3/2)

(n или p) + π

Σ+(1385)

uus

1383

36

3/2+(1)

Λπ, Σπ

Σ0(1385)

uds

1384

36

Σ-(1385)

dds

1387

39

Ξ0(1530)

uss

1532

9.1

3/2+(1/2)

Ξπ

Ξ-(1530)

dss

1535

9.1

N(1440)

N+ uud

1430-1470

250-450

1/2+(1/2)

n(p)+π(2π),deltaπ

N0 udd

N(1520)

N+ uud

1515-1530

110-135

3/2-(1/2)

n(p)+π(2π),deltaπ

N0 udd

udc

2285

2.0·10-13

1/2+(0)

(n или p) + другие

uuc

2453

1/2+(1)

π

udc

2454

ddc

2452

При встрече частицы и античастицы происходит их взаимная аннигиляция.


Рис. 14 Частицы и античастицы.

     Попадающий в пузырьковую камеру антипротон исчезает в нижней части фотографии в результате столкновения с протоном (рис. 14).  При этом происходит рождения пары ΛΛ p + antip → Λ + Λ (точка 1). Эти нейтральные частицы не оставляют следов в камере Вильсона, но их можно видеть по распадам на заряженные частицы. Одним из продуктов распада Λ является новый антипротон (точка 2), который аннигилирует в верхней части камеры, образуя четыре π-мезона p + antip → π++ π+ π+ + π (точка 4). Λ-частица распадается на протон и π-мезон Λ → p + π (точка 3).


Рис. 15. Образование ω-частицы (резонанса).

     Антипротон, движущийся в пузырьковой камере снизу вверх (рис. 15), аннигилирует с протоном с образованием нескольких мезонов p + antip → π++ π+ ω0 (точка 1). Время жизни ω-мезона 10–22 сек. Поэтому образование ω0 можно наблюдать только по продуктам его распада ω0 → π+ + π+ π0 (точка 2 в правой верхней части рис. 15). В точке 3 π+-мезон распадается на положительно заряженный мюон и нейтрино π+ → μ+ + νμ. В точке 4 происходит распад положительно заряженного мюона на позитрон и два нейтрино μ+ → e+ + антинейтриноμ + νe. Нейтрино в камере Вильсона не оставляет следов.

previoushomenext

На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru