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	+(-)	-(+)
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.

    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

Частица	Кварковый состав	Масса, Mc2 (МэВ)	Время жизни (сек) или ширина	Спин-четность, изоспин JP(I)			Основные моды распада
π+,π-	u, d	139.7	2.6·10-8	0-(1)			νμ+,μ-
π0	u-d	134.98	8.4·10-17	0-(1)			2
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+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+μ-
Y	b	9460	53 кэВ	1-(0)			τ+τ-,e+e-,μ+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)	pe
Λ	uds		1116	2.6·10-10		1/2+(0)	pπ-, nπ0
Σ+	uus		1189	0.80·10-10		1/2+(1)	pπ0, nπ+
Σ0	uds		1193	7.4·10-20		1/2+(1)	Λγ
Σ-	dds		1197	1.5·10-10		1/2+(1)	nπ-
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),π
	N0 udd
N(1520)	N+ uud		1515-1530	110-135		3/2-(1/2)	n(p)+π(2π),π
	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 + → 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 + → 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 + → 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⁺ + ν_μ. В точке 4 происходит распад положительно заряженного мюона на позитрон и два нейтрино μ⁺ → e⁺ + _μ + ν_e. Нейтрино в камере Вильсона не оставляет следов.