Schrödingerova rovnice nebere v úvahu relativistické efekty a nemůže popsat částice se spinem (pojem spinu v Schrödingerově rovnici neexistuje). Místo toho se pro relativistické částice používá Diracova rovnice. Pomocí této rovnice Dirac předpověděl existenci pozitronu, elektronové antičástice.

Z relativistického výrazu pro energii částic

z toho vyplývá, že energie elektronu může nabývat kladných i záporných hodnot

Mezi největší negativní energií a nejméně pozitivní energií existuje široký interval energetických hodnot, který nelze realizovat.

Z Diracovy rovnice vyplývá, že existují dvě oblasti vlastních hodnot energie: jedna začíná a rozšiřuje se do, druhá začíná a rozšiřuje se do. Tyto oblasti jsou odděleny pásmovou mezerou.

Z Einsteinova vzorce vyplývá, že pro oblast se zápornou energií je také záporná hmotnost elektronu. Částice se zápornou hmotností má mnoho neobvyklých vlastností. Například pod vlivem brzdné síly zrychlí a bude pracovat na zdroji brzdné síly. Existuje mnoho dalších neobvyklých vlastností spojených s negativní hmotností. Tyto vlastnosti se experimentálně neprojevují.

K překonání obtíží spojených s negativními hmotami Dirac předpokládal, že všechny úrovně s negativní energií jsou již obsazeny elektrony. Pak se na základě Pauliho principu nové elektrony již nebudou moci přesunout do těchto úrovní a zůstanou na horních kladných úrovních. Situace připomíná schéma plnění spodních hladin elektronů v kovech, kdy se fyzikálních procesů účastní především elektrony s energiemi blízkými Fermiho energii. Obrázek (diagram a) ukazuje jednotlivé energetické hladiny pro elektron, oddělené intervaly zakázaných energií.

Pokud jeden z elektronů v záporné hladině dostane energii

pak tento elektron přejde do stavu s kladnou energií a bude se chovat obvyklým způsobem, jako částice s kladnou hmotností a záporným nábojem (schéma b). „Díra“ vytvořená v negativních energetických hladinách by se měla chovat jako elektron s kladným nábojem. Tato teoreticky předpovězená částice se nazývala pozitron. Brzy poté, co Dirac teoreticky předpověděl existenci pozitronu a popsal jeho vlastnosti, byl experimentálně objeven.

Když se pozitron setká s elektronem, anihilují za vzniku dvou (tří) fotonů

Schematicky lze proces tvorby a anihilace elektron-pozitronového páru znázornit stejným způsobem jako u polovodičů v mechanismu vedení elektron-díra.

Obrázek b ukazuje diagram zrodu a anihilace elektron-pozitronového páru: 1 - vznik elektron-pozitronového páru, 2 - anihilace podobného páru. Ke zrodu elektron-pozitronových párů dochází, když α-fotony procházejí hmotou. Dá se ukázat, že pro zrození páru je nutné, aby na dráze ?-fotonu byl náboj, např. elektron, proton, jádro,... Schéma zrodu fotonu pár v blízkosti elektronu má tvar

Když se srazí dva elektrony

Diracova rovnice platí nejen pro elektrony, ale i pro další částice se spinem 1/2. Proto pro každou takovou částici existuje antičástice. Vytvoření proton-antiprotonového páru může nastat podle schématu

K těmto reakcím dochází, když se proton srazí s protonem nebo proton s neutronem. Prahové hodnoty pro odpovídající reakce jsou 5,6 GeV a 4,5 GeV. Protony takové energie získávají na moderních urychlovačích (synchrofasotronech), kde byly pozorovány odpovídající reakce.

Antičástice se obvykle označují vlnovkou (~). Antiproton se od protonu liší znaménkem elektrického náboje (má záporný náboj) a směrem vlastního magnetického momentu (protože směr spinu a magnetický moment jsou opačné).

Antičástice existují nejen pro fermiony, ale také pro bosony. Například -mezon je antičástice -mezonu. Existují částice, které jsou totožné se svými antičásticemi (tj. nemají antičástice). Takové částice se nazývají absolutně neutrální. Patří mezi ně foton, -mezon a?-mezon. Když se setkají, nezničí.

U leptonů, bosonů a protonů se částice a antičástice liší znaménkem elektrického náboje. U ostatních částic, například hyperonů, se antičástice od částic liší znaménkem baryonového náboje. Neutrina a antineutrina se liší znaménkem svého leptonového náboje.

Z obecných principů kvantové teorie vyplývá, že částice a antičástice musí mít stejnou hmotnost, stejnou dobu života ve vakuu, stejnou velikost, ale opačné ve znaménku elektrických nábojů a magnetických momentů, stejné spiny a izotopové spiny, stejně jako stejné další kvantová čísla přiřazená elementárním částicím.

Spojováním mohou antičástice tvořit jádra a atomy z antihmoty. Když se antihmota setká s běžnou hmotou, dojde k anihilaci s uvolněním obrovské energie (hmota se změní na záření). Nyní se antinuklea získávají pouze v laboratořích.

Ve skutečnosti tvrzení, že interakce částic a antičástic vždy znamená zrození fotonů, není pravdivé ani ve vztahu k elektronům a pozitronům. Volný elektron-pozitronový pár anihiluje za vzniku elektromagnetických kvant pouze v případě, že jeho energie není příliš vysoká. Velmi rychlé elektrony a pozitrony jsou schopny generovat kladné a záporné pí-mezony (aka piony), plus a mínus miony, protony a antiprotony a dokonce i těžší částice - prostě dostatek energie. Pomalé protony a antiprotony během anihilace dávají vzniknout nabitým a neutrálním pionům (a rychlým jiným částicím), které se rozpadají na gama záření, miony a neutrina. V zásadě může kolize mezi částicí a její antikopií vyústit v jakoukoli kombinaci částic, která není zakázána principy symetrie a zákony zachování.

Může se zdát, že anihilace se neliší od jiných mezičásticových interakcí, ale má jeden zásadní rys. Aby stabilní částice, jako jsou protony nebo elektrony, při setkání vygenerovaly spršku exotických obyvatel mikrokosmu, je třeba je správně rozptýlit. Pomalé protony jednoduše změní svou rychlost, když se setkají, a tím to skončí. Ale proton a antiproton, když se přiblíží, buď podstoupí elastický rozptyl a rozptýlí se, nebo anihilují a vytvoří sekundární částice.

Vše výše uvedené platí pro anihilaci volných částic. Pokud je alespoň jeden z nich součástí kvantového systému, v zásadě zůstává situace stejná, ale alternativy se mění. Například anihilace volného elektronu a volného pozitronu nikdy nemůže generovat jen jedno kvantum – zákon zachování hybnosti to neumožňuje. Nejjednodušší je to zjistit, pokud pracujete v systému středu setrvačnosti kolidujícího páru - pak bude počáteční hybnost rovna nule a nemůže se tedy v žádném případě shodovat s hybností jediného fotonu, ať letí kamkoli . Pokud pozitron narazí na elektron, který je součástí řekněme atomu vodíku, je možná i jednofotonová anihilace – v tomto případě se část hybnosti přenese na atomové jádro.

A CO ANTIHROB?

Anglický fyzik Arthur Schuster věřil, že antihmota je gravitačně odpuzována od běžné hmoty, ale moderní věda to považuje za nepravděpodobné. Z nejobecnějších principů symetrie zákonů mikrosvěta vyplývá, že antičástice by měly být k sobě přitahovány gravitačními silami, jako částice bez předpony „anti“. Otázka, jaká je gravitační interakce částic a antičástic, ještě není zcela vyřešena, ale odpověď na ni je téměř zřejmá.
Nejprve se podívejme na Einsteinovu obecnou teorii relativity. Je založen na principu přísné rovnosti gravitačních a setrvačných hmot a pro běžnou hmotu bylo toto tvrzení experimentálně potvrzeno mnoha přesnými měřeními. Protože se setrvačná hmotnost částice přesně rovná hmotnosti její antičástice, zdá se velmi pravděpodobné, že jejich gravitační hmotnosti jsou také stejné. To je však stále předpoklad, i když velmi pravděpodobný, a nelze jej dokázat pomocí obecné teorie relativity.

Jedná se o registraci záření s energií charakteristickou pro anihilaci, neboli přímou registraci antičástic hmotností a nábojem. Vzhledem k tomu, že antiprotony a antiheliová jádra nemohou prolétat atmosférou, je jejich detekce možná pouze pomocí přístrojů zvednutých do vysokých vrstev atmosféry na balonech nebo orbitálních přístrojů, jako je magnetický alfa spektrometr AMS-01, dodaný na Mir. stanice v roce 1998, nebo její výrazně vylepšený bratr AMS-02 (na obrázku), který zahájí svou práci na ISS.

HLAVNÍ ZPŮSOBY HLEDÁNÍ PROTIHMOTY

Další argument proti gravitačnímu odpuzování mezi hmotou a antihmotou vyplývá z kvantové mechaniky. Připomeňme si, že hadrony (částice, které se účastní silných interakcí) jsou tvořeny kvarky slepenými gluonovými vazbami. Každý baryon se skládá ze tří kvarků, zatímco mezony se skládají z párových kombinací kvarků a antikvarků, a ne vždy stejných (mezon, který zahrnuje kvark a svůj vlastní antikvark, je skutečně neutrální částicí v tom smyslu, že je zcela identický na jeho antimezon). Tyto kvarkové struktury však nelze považovat za absolutně stabilní. Například proton se skládá ze dvou u-kvarků, z nichž každý nese elementární elektrický náboj +2/3, a jednoho d-kvarku s nábojem -1/3 (proton má tedy náboj + 1). Tyto kvarky však v důsledku interakce s gluony mohou na velmi krátkou dobu změnit svou povahu – zejména se proměnit v antikvarky. Pokud jsou částice a antičástice gravitačně odpuzovány, váha protonu (a přirozeně i neutronu) by měla vyvolat slabé oscilace. Takový účinek však zatím žádná laboratoř neobjevila.

Není pochyb o tom, že experiment Jeho Veličenstva jednou na tuto otázku odpoví. Chce to jen trochu – nashromáždit více antihmoty a zjistit, jak se chová v gravitačním poli. Tato měření jsou však technicky neuvěřitelně složitá a je těžké předpovědět, kdy bude možné je provést.

V ČEM JE TAKŽE ROZDÍL?

Po objevení pozitronu byli téměř všichni fyzici po čtvrt století přesvědčeni, že příroda nerozlišuje mezi částicemi a antičásticemi. Konkrétněji se věřilo, že jakýkoli fyzikální proces zahrnující částice odpovídá přesně stejnému procesu zahrnujícímu antičástice a oba probíhají se stejnou pravděpodobností. Dostupné experimentální údaje ukázaly, že tento princip je pozorován u všech čtyř základních interakcí – silné, elektromagnetické, slabé a gravitační.
A pak se najednou všechno dramaticky změnilo. V roce 1956 publikovali američtí fyzici Li Zongdao a Yang Jenning článek oceněný Nobelovou cenou, ve kterém se zabývali problémem, že se dvě zdánlivě identické částice, mezon theta a mezon tau, rozpadají na různé počty pionů. Autoři zdůraznili, že tento problém lze vyřešit, pokud předpokládáme, že takové rozpady jsou spojeny s procesy, jejichž povaha se mění při přechodu zprava doleva, jinými slovy, se zrcadlovým odrazem (o něco později si fyzici uvědomili, že obecně musíme hovořit o odrazech v každé ze tří souřadnicových rovin - nebo, co je totéž, o změně znamének všech prostorových souřadnic, prostorové inverzi). To znamená, že zrcadlený proces může být zakázán nebo může nastat s jinou pravděpodobností než před odrazem. O rok později američtí experimentátoři (patřící do dvou nezávislých skupin a pracující různými metodami) potvrdili, že takové procesy skutečně existují.
Tohle byl jen začátek. Teoretickí fyzici ze SSSR a USA si zároveň uvědomili, že porušení zrcadlové symetrie umožňuje narušit symetrii ohledně nahrazení částic antičásticemi, což bylo také opakovaně experimentálně prokázáno. Stojí za zmínku, že krátce před Leem a Yangem, ale ještě v roce 1956, o možnosti porušení zrcadlové symetrie diskutovali experimentální fyzik Martin Block a velký teoretik Richard Feynman, ale tyto úvahy nikdy nepublikovali.

Během jedné z posledních misí raketoplánu (STS-134) v roce 2010 bude na ISS dodán nový vědecký přístroj – alfa magnetický spektrometr (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer). Jeho prototyp AMS-01 byl dodán na palubu vesmírné stanice Mir v roce 1998 a potvrdil funkčnost konceptu. Hlavním cílem vědeckého programu bude studium a měření s vysokou přesností složení kosmického záření, stejně jako hledání exotických forem hmoty - temné hmoty, podivné hmoty (částice obsahující podivné (s) kvarky), jakož i jako antihmota - zejména jádra antihelia .

AMS NA ISS

Fyzici tradičně označují zrcadlový odraz latinským písmenem P a nahrazení částic jejich antičásticemi písmenem C. Obě symetrie se porušují pouze v procesech zahrnujících slabou interakci, právě tu, která je zodpovědná za beta rozpad atomových jader. Z toho vyplývá, že právě díky slabým interakcím dochází k rozdílům v chování částic a antičástic.
Podivné porušení zrcadlové symetrie vedlo k pokusům ji něčím kompenzovat. Již v roce 1956 Lee a Yang a nezávisle na sobě Lev Landau navrhli, že příroda nerozlišuje mezi systémy, které jsou od sebe získány společnou aplikací transformací C a P (tzv. CP symetrie). Z teoretického hlediska vypadala tato hypotéza velmi přesvědčivě a navíc dobře zapadala do experimentálních dat. O pouhých osm let později však výzkumníci z Brookhaven National Laboratory zjistili, že jeden z nenabitých K-mezonů (nebo kaonů, jak se jim také říká) se může rozpadnout na pionový pár. Při striktním dodržení symetrie CP je taková transformace nemožná - a proto tato symetrie není univerzální! Pravda, podíl zdánlivě zakázaných rozkladů nepřesáhl 0,2 %, ale přesto k nim docházelo! Tento objev přinesl vedoucím týmu z Brookhavenu Jamesi Croninovi a Val Fitchovi Nobelovu cenu za fyziku.

SYMETRIE A ANTIHMOTA

Porušení CP symetrie přímo souvisí s rozdílem mezi hmotou a antihmotou. Na konci 90. let CERN provedl velmi krásný experiment s neutrálními kaony K 0, z nichž každý se skládá z kvarku d a masivnějšího podivného antikvarku. Přírodní zákony umožňují antikvarku ztratit část své energie a proměnit se v anti-d. Uvolněná energie může vést k rozpadu kaonu, ale je možné, že ji sousední d-kvark pohltí a změní se v podivný kvark. V důsledku toho se objeví částice skládající se z kvarku anti-d a podivného kvarku, tedy neutrálního antikaonu. Formálně lze tuto transformaci popsat jako výsledek aplikace transformace CP na kaon!
Je-li tedy CP symetrie dodržována naprosto striktně, pak se neutrální kaony K 0 transformují na své antičástice s naprosto stejnou pravděpodobností, s jakou procházejí obrácenými transformacemi. Jakékoli porušení symetrie CP bude mít za následek změnu jedné z těchto pravděpodobností. Pokud připravíme svazek stejného počtu neutrálních kaonů a antikaonů a sledujeme dynamiku koncentrace obou částic, můžeme zjistit, zda jejich kvantové oscilace respektují CP symetrii.

Přesně to udělali fyzici v CERNu. Zjistili, že neutrální antikaony se stávají kaony o něco rychleji, než se mění v antikaony. Jinými slovy, byl objeven proces, při kterém se antihmota mění na hmotu rychleji, než se hmota mění na antihmotu! Ve směsi s původně stejnými díly hmoty a antihmoty se časem vytvoří malý, ale přesto měřitelný přebytek hmoty. Stejný efekt byl odhalen v experimentech s jinými těžkými neutrálními částicemi - D 0 -mezony a B 0 -mezony.
Na konci 20. století tak experimentátoři přesvědčivě dokázali, že slabé interakce ovlivňují částice a antičástice odlišně. I když jsou tyto rozdíly samy o sobě velmi malé a jsou odhaleny pouze při určitých přeměnách velmi exotických částic, všechny jsou zcela reálné. To znamená přítomnost fyzické asymetrie mezi hmotou a antihmotou.
Pro dokreslení obrázku stojí za zmínku ještě jedna okolnost. V 50. letech bylo prokázáno nejdůležitější postavení relativistické kvantové mechaniky – věta CPT. Uvádí, že částice a antičástice jsou přísně symetrické vzhledem k transformaci CP, po které následuje obrácení času (přesně vzato, tato věta platí pouze bez zohlednění gravitace, jinak zůstává otázka otevřená). Pokud tedy u některých procesů není dodržena symetrie CP, neměla by být jejich rychlost ve směru „dopředu“ a „vzadu“ (co je považováno za jeden a druhý, je samozřejmě věcí dohody) stejná. Přesně to dokázaly experimenty v CERNu s neutrálními kaony.

KDE JSOU ANTI-SVĚTY?

V roce 1933 si byl Paul Dirac jistý, že v našem vesmíru jsou celé ostrovy antihmoty, o kterých se zmínil ve své Nobelově přednášce. Moderní vědci se však domnívají, že v naší Galaxii ani mimo ni žádné takové ostrovy neexistují. Antihmota jako taková samozřejmě existuje. Antičástice vznikají mnoha vysokoenergetickými procesy – například termonukleárním spalováním hvězdného paliva a výbuchy supernov. Vznikají v oblacích zmagnetizovaného plazmatu obklopujícího neutronové hvězdy a černé díry, při srážkách rychlých kosmických částic v mezihvězdném prostoru, při bombardování zemské atmosféry kosmickým zářením a nakonec při experimentech s urychlovači. Rozpad některých radionuklidů je navíc doprovázen tvorbou antičástic – konkrétně pozitronů. Ale to všechno jsou jen antičástice a vůbec ne antihmota. Doposud se nikomu nepodařilo detekovat ani kosmické antihelium, natož těžší prvky. Neúspěšné bylo také pátrání po gama záření se specifickým spektrem způsobeným anihilací na hranicích vesmírných shluků hmoty a antihmoty.

SVĚT, NEBO PROTISVĚT?

Představme si, že letíme na mezihvězdné lodi, která se blíží k planetě s inteligentním životem. Jak zjistit, z čeho jsou naši bratři na mysli - hmota nebo antihmota? Můžeme poslat průzkumnou sondu, ale pokud exploduje v atmosféře, můžeme být považováni za vesmírné agresory, jako ve sci-fi románu Krzysztofa Boruna Antiworld. Tomu se lze vyhnout použitím stejných neutrálních kaonů a antikaonů. Jak již bylo zmíněno, dokážou se navzájem nejen přeměnit, ale i rozpadnout, a to různými způsoby. Při takových rozpadech mohou vznikat neutrina doprovázená buď kladnými piony a elektrony, nebo zápornými piony a pozitrony. Vzhledem k asymetrii mezi hmotou a antihmotou jsou rychlosti takových reakcí poněkud odlišné. Tuto okolnost lze použít jako „lakmusový papírek“. K testování planety na antimaterialitu je vhodné vzít ne čisté kaony a antikaony, ale jejich smíšené stavy; jsou označeny jako K S a K L (S - krátké a L - dlouhé). Faktem je, že ve stavu L je životnost částice 570krát delší než ve stavu S (5,12 x 10 -8 s versus 8,95 x 10 -11 s). V dlouhověké verzi kaonů je symetrie hmoty a antihmoty mnohem silnější – na každých 10 000 rozpadů požadovaného typu přibližně 5015 produkuje pozitrony a 4985 produkuje elektrony. Mimochodem, historický experiment Cronina a Finche byl také proveden na K-mezonech. Nyní začněme konverzaci. Kaony mají charakteristickou hmotnost mírně větší než polovina hmotnosti protonu. Vysvětleme našim bratrům v mysli, že potřebujeme nestabilní neutrální částici, jejíž hmotnost je o něco větší než hmotnost jádra nejjednoduššího atomu. Mimozemští fyzici vyrobí K-mezony a určí charakteristiky jejich rozpadů. Ptáme se, zda se znaménko elektrického náboje nejlehčí z nabitých částic, vznikající při těchto rozpadech o něco častěji než podobná částice opačného znaménka, shoduje se znaménkem částic obsažených v atomech jejich světa. Pokud je odpověď kladná, bude nám jasné, že jejich atomy obsahují pozitrony, a proto se mimozemšťan skládá z antihmoty. A pokud je odpověď ne, můžete se připravit na přistání!

SVĚT, NEBO PROTISVĚT?

Ve vědecké literatuře se periodicky objevují zprávy o objevu nestandardních primárních zdrojů kosmických antičástic neznámého původu. V dubnu 2009 byla zveřejněna data o záhadném přebytku extrémně rychlých pozitronů detekovaných detektorovým komplexem PAMELA. Toto zařízení se nachází na palubě ruské družice Resurs-DK, vyslané na nízkou oběžnou dráhu Země z kosmodromu Bajkonur 15. června 2006. Někteří odborníci interpretovali tento výsledek jako možný důkaz anihilace hypotetických částic temné hmoty, ale brzy se objevilo méně exotické vysvětlení. Tuto hypotézu okomentoval Veniamin Berezinsky, známý specialista na kosmické záření z Národní laboratoře Gran Sasso, součásti Italského národního institutu jaderné fyziky: „Standardní model zrodu galaktického kosmického záření spočívá na třech pozicích. za první a hlavní zdroj nabitých částic jsou považovány zbytky supernov, za druhý jsou považovány zbytky supernov idea - částice jsou na frontách poexplozivních rázových vln urychlovány na ultrarelativistické rychlosti a v tomto zrychlení hraje roli tzv. jejich vlastní magnetické pole je velmi velké. Třetí pozice je, že kosmické záření se šíří difúzí. Můj bývalý student a nyní profesor na Národním institutu astrofyziky Pasquale Blasi ukázal, že přebytek pozitronů detekovaný komplexem PAMELA je zcela v souladu s tento model.Protony urychlené v rázových vlnách se srážejí s částicemi kosmického plynu a právě v této zóně jejich urychlování se mění na kladné piony, které se rozpadají na pozitrony a neutrina. Podle Blasiho výpočtů může tento proces dobře produkovat přesně takovou koncentraci pozitronů, jakou PAMELA identifikovala. Takový mechanismus generování pozitronů vypadá naprosto přirozeně, ale z nějakého důvodu to dosud nikoho nenapadlo. Blasi také ukázal, že stejné procesy by také měly generovat přebytek antiprotonů. Průřez pro jejich výrobu je však mnohem menší než odpovídající hodnota pro pozitrony, a proto je lze detekovat pouze při vyšších energiích. Myslím, že časem to bude možné."
Obecně zatím vše nasvědčuje tomu, že ve vesmíru nejsou žádné antihvězdy, žádné antiplanety, dokonce ani ty nejmenší antimeteory. Na druhé straně konvenční modely velkého třesku tvrdí, že krátce po jeho zrodu náš vesmír obsahoval stejný počet částic a antičástic. Proč tedy první přežil a druhý zmizel?

- dvojčata obyčejných elementárních částic, které se od druhých liší znakem elektrického náboje a znaky některých dalších charakteristik. Částice a antičástice mají stejné hmotnosti, rotace a životnost. Pokud se částice vyznačuje jinými vnitřními kvantovými charakteristikami, které mají znaménko, pak má antičástice stejné hodnoty těchto charakteristik, ale znaménka jsou opačná. Pokud je částice nestabilní (prožívá rozpad), pak je nestabilní i antičástice a jejich doby života se shodují a jejich způsoby rozpadu se shodují (až do nahrazení částic na antičástice ve schématech rozpadu).
Obyčejná hmota se skládá z protonů (p), neutronů (n) a elektronů (e -). Antihmotu tvoří jejich antičástice - antiprotony (), antineutrony () a antielektrony (pozitrony e +). Volba, které částice považovat za částice a které za antičástice, je libovolná a závisí na vhodnosti. Antičástice antičástice je částice. Během srážky částice a antičástice zmizí (anihilují) a změní se na gama paprsky.
V některých případech (například foton nebo mezon π 0 atd.) se částice a antičástice zcela shodují. To je způsobeno skutečností, že foton a mezon π 0 nemají elektrický náboj a další vnitřní znaménkové charakteristiky.

Charakteristický	Částice	Antičástice
Hmotnost	M	M
Elektrický náboj	+(-)Q	-(+)Q
Roztočit	J	J
Magnetický moment	+(-)μ	-(+)μ
Baryonové číslo	+B	-B
Leptonové číslo	+Le, +L μ, +L τ	-L e, -L μ, -L τ
Podivnost	+(-)s	-(+)s
Kouzlo	+(-)c	-(+)c
Dno	+(-)b	-(+)b
Topness	+(-)t	-(+)t
Isospin	já	já
Isospinová projekce	+(-)Já 3	-(+)Já 3
Parita	+(-)	-(+)
Život	T	T
Schéma rozpadu		Konjugát náboje

Antihmotu tvoří antičástice - antiprotony, antineutrony a antielektrony - pozitrony e +. Částice a antičástice mají stejná práva. Volba, které částice považovat za částice a které za antičástice, je libovolná a závisí na vhodnosti. V pozorovatelné části vesmíru se hmota skládá ze záporně nabitých elektronů, kladně nabitých protonů a neutronů.
Když se elektron a pozitron srazí, zmizí (anihilují) a změní se na gama kvanta. Během anihilace silně interagujících částic, například protonu a antiprotonu, vzniká několik mezonů π +, π -, π 0, K +, K -, K 0.

ANTI-ČÁSTEČKY

ANTI-ČÁSTEČKY

Sada prvků. částice se stejnou hmotností a dalšími fyzikálními vlastnostmi. charakteristické, že jejich „dvojníci“ jsou ch-tsy, ale liší se od nich ve znamení určitých charakteristik (například elektrický náboj, magnetický moment). Jméno "ch-tsa" a "A." do jisté míry podmíněné: antielektron (kladně nabitý elektron) bychom mohli nazvat h-ce a elektron - A. Atomy látky v pozorovatelné části Vesmíru však obsahují elektrony se záporem. náboj a protony mají kladný náboj. Proto pro ty známé od začátku. 20. léta 20. století elem. h-ts - el-n a proton (a později neutron) byl přijat název „částice“.

Závěr o existenci A. byl poprvé učiněn v roce 1931. fyzik P. Dirac. Vyvedl příbuzného. kvantová. rovnice pro el-n (Diracova rovnice), která se ukázala jako symetrická vzhledem ke znaménku elektr. náboj: spolu se záporným nábojem. e-nom to popsalo kladný náboj. h-tsu o stejné hmotnosti - antielektron. Srážka částice a atomu by podle Diracovy teorie měla vést k jejich anihilaci – zániku této dvojice, v důsledku čehož se zrodí například dvě nebo více dalších částic. fotony.

V roce 1932 byly antielektrony experimentálně objeveny Amer. fyzik K. Anderson. Fotografoval přeháňky produkované kosmickým zářením v oblačné komoře umístěné v magnetickém poli. . Nabít ch-tsa se pohybuje magneticky. pole podél oblouku kruhu a částice s náboji různých znaků jsou polem vychylovány v opačných směrech. Spolu s tehdy dobře známými stopami rychlých elektronů objevil Anderson na fotografiích úplně stejný vzhled. stopy se zdají být kladně nabité. h-ts stejné hmotnosti. Tyto částice se nazývaly pozitrony. Objev pozitronu byl brilantním potvrzením Diracovy teorie. Od té doby začalo pátrání po dalších A..

V roce 1936 také do vesmíru. paprsky byly detekovány negativní. a položte to. (m- a m+), které jsou stejné a A. ve vztahu k sobě navzájem. V roce 1947 bylo zjištěno, že kosmické miony. paprsky vznikají v důsledku rozpadu o něco těžších h-c - pi-mezonů (p-, p+). V roce 1955 byly při experimentech s urychlovačem detekovány první antiprotony. Phys. proces, který vyústil ve vznik antiprotonů, byl proton - . O něco později byly objeveny antineutrony. Do roku 1981 byl A. experimentálně objeven téměř ve všech známých pivech. tsk.

Obecné principy kvantové teorie pole nám umožňují vyvodit řadu hlubokých závěrů o vlastnostech částice a elektronu: hmotnost, spin, izotopický spin, životnost částice a její energie musí být stejné (zejména stabilní částice odpovídají stabilní A.); nejen elektrická energie musí mít stejnou velikost, ale i opačné znaménko. náboje (a magnetické) částice a a., ale i všechna ostatní kvant. čísla, která jsou částicím přiřazena k popisu vzorců jejich působení: baryonový náboj, leptonový náboj, podivnost, „“, atd. Osoba, u níž jsou všechny vlastnosti, které ji odlišují od A. rovny nule, tzv. skutečně neutrální; ch-tsa a A. takové ch-ts jsou totožné. Patří sem například mezony p0 a h, částice J/y a Y.

Do roku 1956 se věřilo, že existuje úplný vztah mezi ch-ts a A. To znamená, že pokud je možné k-l. procesu mezi částicemi, pak přesně stejný proces musí existovat mezi A. V roce 1956 bylo zjištěno, že taková symetrie existuje pouze v silné a el.-magnetické. v dohledu. Ve slabém šoku bylo zjištěno narušení symetrie částice-A. (viz PŘIPOJENÍ NABÍJENÍ). Z A. lze v principu postavit úplně stejně jako věc z h-ts. Možnost vyhubení při setkání s černochy však A. neumožňuje vydržet libovolně dlouho. existují ve vesnici. A. může „žít“ po dlouhou dobu pouze tehdy, pokud zcela chybí kontakt s příslušníky ostrova. Důkaz přítomnosti antihmoty někde „blízko“ vesmíru by byl mocným zničením. , přicházející na Zemi z oblasti kontaktu hmoty a antihmoty. Ale zatím astrofyzika nezná žádná data, která by naznačovala existenci oblastí naplněných antihmotou ve Vesmíru.

Fyzický encyklopedický slovník. - M.: Sovětská encyklopedie. . 1983 .

ANTI-ČÁSTEČKY

Elementární částice mající stejné hodnoty hmotností, spinů atd. fyzikální. charakteristiky jako jejich „dvojky“ - „částice“, ale liší se od nich znaky určitých interakčních charakteristik ( poplatky, např elektrické znamení nabít).

Existenci A. předpověděl P. A. M. Dirac. Kvantová relativistická rovnice pohybu elektronů, kterou získal v roce 1928 (viz. Diracova rovnice)nutně obsahoval roztoky s neg. energií. Později se ukázalo, že vymizení elektronu z negativu energie by měla být interpretována jako vznik částice (stejné hmotnosti) s klad. energii a pozitivitu. elektrický náboj, tj. A. vzhledem k elektronu. Tato částice je pozitron - otevřen v roce 1932.

V následujících experimentech bylo zjištěno, že nejen , ale i všechny ostatní částice mají své vlastní A. V roce 1936 v kosmu. paprsky byly otevřené mion a jeho A. a v roce 1947 - - a -mezony, tvořící pár částice A.; registrován v roce 1955 v experimentech s urychlovačem antiproton, v roce 1956 - antineutron atd. K dnešnímu dni. Postupem času byl A. pozorován téměř ve všech známých částicích a není pochyb o tom, že A. je přítomen ve všech částicích.

Existence a vlastnosti A. jsou určeny v souladu se základy. princip kvantové teorie pole - jeho invariance vzhledem k SRT- transformace (viz CPT věta). Z CPT-věta vyplývá, že spin a životnost částice a její A. musí být stejné. Zejména stabilní (vzhledem k rozpadu) částice odpovídají stabilním částicím (jejich existence ve hmotě po jakkoli dlouhou dobu je však nemožná kvůli zničení s částicemi hmoty). Stavy částic a jejich A. spojuje operace nábojová konjugace.

Proto částice a A. mají opačné elektrické znaménka. náboje (a magnetické momenty) mají totéž izotopový spin, liší se ale znaménkem jeho třetího průmětu, jsou identické ve velikosti, ale opačné ve znaménku zvláštnost, kouzlo, krása atd. Konverze kombinovaná inverze (CP) spojuje spirální částice se stavy A. opačné helicity. Částicím a jejich atomům jsou přiřazena baryonová a leptonová čísla, která jsou stejně velká, ale mají opačné znaménko.

Kvůli neměnnosti s ohledem na konjugaci náboje ( S-invariance) silný a el.-magn. interakce spojené odpovídajícími silami, složené objekty složené z částic (atomová jádra, atomy) az atomů (jádra a atomy antihmota) musí mít stejnou strukturu. Ze stejného důvodu se struktura hadronů a jejich atomů shoduje a v rámci modelu kvarky stavy antibaryonů jsou popsány úplně stejně jako stavy baryonů se složkami kvarky nahrazenými jejich odpovídajícími starožitnosti. Stavy mezonů a jejich A. se liší v záměně složek kvark a antikvark za odpovídající a kvark. Pro skutečné neutrální částice stavy částice a A. se shodují. Takové částice mají jisté parita poplatku(s paritou) a SR-parita. Všechny známé jsou bosony (například -mezony - se spinem - se spinem 1), v zásadě však skutečně neutrální fermiony (tzv. částice majorany).

Slabá interakce není invariantní vzhledem ke konjugaci náboje, a proto narušuje symetrii mezi částicemi a částicemi, což se projevuje rozdílem v určitých diferenciálech. charakteristiky jejich slabého rozpadu.

Pokud k.-l. kvantových čísel elektricky neutrální částice není striktně zachováno, pak jsou možné přechody (oscilace) mezi stavy částice a jejím A. V tomto případě nejsou stavy s určitým nezakonzervovaným kvantovým číslem správné. stavy operátoru energie-hybnosti a představují superpozice skutečně neutrálních stavů s definicí. hmotnostní hodnoty. Podobný jev může nastat v systémech atd.

Samotná definice toho, co nazývat „částice“ v páru částice-A znamená. alespoň podmínečně. Avšak pro daný výběr „částice“ je její A. určeno jednoznačně. Zachování baryonového čísla v procesech slabé interakce umožňuje určit „částici“ v jakémkoli baryon-antibaryonovém páru z řetězce baryonových rozpadů. Volba elektronu jako „částice“ v páru elektron-pozitron fixuje (vzhledem k zachování leptonového čísla při slabých interakčních procesech) určení stavu „částice“ v elektronovém neutrino-antineutrinovém páru. Přechody mezi leptony se rozkládají. generace (typ ) nebyly pozorovány, takže definice „částice“ v každé generaci leptonů, obecně řečeno, může být provedena nezávisle. Obvykle se analogicky s elektronem „částice“ nazývají záporně nabité. , který při zachování leptonového čísla určuje odpovídající antineutrina. Pro bosony může být pojem „částice“ stanoven definicí, např. hypernáboj.

Ke zrodu atomu dochází při srážkách částic hmoty urychlených na energie překračující práh pro zrození částice-páru. (cm. Narození párů). Do laboratoře. za podmínek se A. rodí v interakcích částic na urychlovačích; uložení vzniklého A. se provádí v úložné kroužky při vysokém vakuu. Přirozeně podmínky A. se rodí při interakci primárních kosmických. paprsky s hmotou, například zemskou atmosférou, a měly by se také zrodit v okolí pulsary a aktivních galaktických jader. Teoretický uvažuje o vzniku elektronů (pozitronů, antinukleonů) při narůstání hmoty na černé díry. V rámci modern Kosmologie uvažuje o zrození hvězd během vypařování prvotních černých děr o nízké hmotnosti.

Při temp-pax převyšujícím klidovou energii částic daného typu (použito = 1), páry částice-A. jsou přítomny v rovnováze s látkou a el.-magn. záření. Takové podmínky lze realizovat pro elektron-pozitronové elektrony v horkých jádrech hmotných hvězd. Podle teorie horkého vesmíru byly ve velmi raných fázích expanze vesmíru páry částice-A v rovnováze s hmotou a zářením. všechny odrůdy. Podle modelů velké sjednocení rušivé účinky C- a CP invariance v nerovnovážných procesech s nezachováním baryonového čísla by mohla ve velmi raném vesmíru vést k baryonová asymetrie vesmíru i za podmínek přísné počáteční rovnosti počtu částic a A. To dává fyzikální. zdůvodnění absence pozorování. údaje o existenci objektů ve vesmíru od A.

lit.: Dirac P.A.M., Principy kvantové mechaniky, přel. z angličtiny, 2. vyd., M., 1979; Nishijima K., Fundamental Particles, přel. z angličtiny, , 1965; Li Ts., Wu Ts., Slabé interakce, přel. z angličtiny, M., 1968; Zel'dovich Ya. V., Novikov I. D., Struktura a vývoj vesmíru, M., 1975. M. Yu Khlopov.

Fyzická encyklopedie. V 5 svazcích. - M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1988 .

Podívejte se, co je „ANTIPARTICLES“ v jiných slovnících:

Elementární částice, které mají stejnou hmotnost, spin, životnost a některé další vnitřní charakteristiky jako jejich částice, ale liší se od částic ve znacích elektrického náboje a magnetického momentu, baryonového náboje, leptonu... ... Velký encyklopedický slovník

ANTI-ČÁSTICE, dvojčata elementárních částic, jejichž hmotnosti a další fyzikální vlastnosti mají stejné hodnoty jako částice a některé charakteristiky, jako je elektrický náboj nebo magnetický moment, mají opačné znaménko. Téměř všechny… … Moderní encyklopedie

Antičástice- ANTI-ČÁSTICE, „dvojčata“ elementárních částic, jejichž hmotnosti a další fyzikální vlastnosti mají stejné hodnoty jako částice a některé charakteristiky, jako je elektrický náboj nebo magnetický moment, mají opačné znaménko. Skoro…… Ilustrovaný encyklopedický slovník

ANTI-ČÁSTEČKY- soubor elementárních a mnoha základních částic, jejichž hmotnost a (vidět) jsou přesně stejné jako hmotnost a spin dané částice a elektrický náboj, magnetický moment a další podobné charakteristiky jsou stejné se stejnými charakteristikami částice, ale...... Velká polytechnická encyklopedie

Antičástice je částice dvojitá jiné elementární částice, která má stejnou hmotnost a stejný spin, ale liší se od ní znaky některých interakčních charakteristik (náboje, jako jsou elektrické a barevné náboje, baryon a ... ... Wikipedia

Antičásticová hypotéza poprvé vznikla v roce 1928, kdy P. Dirac na základě relativistické vlnové rovnice předpověděl existenci pozitronu (viz § 263), objeveného o čtyři roky později C. Andersonem jako součást kosmického záření.

Elektron a pozitron nejsou jediným párem částice-antičástice. Na základě relativistické kvantové teorie došli k závěru, že pro každou elementární částici musí existovat antičástice (princip konjugace náboje). Experimenty ukazují, že až na několik výjimek (například foton a p 0 -mezon) skutečně každá částice má antičástici.

Z obecných ustanovení kvantové teorie vyplývá, že částice a antičástice musí mít stejnou hmotnost, stejnou dobu života ve vakuu, stejnou velikost, ale opačné ve znaménku elektrických nábojů (a magnetických momentů), stejné spiny a izotopové spiny, stejně jako stejná další kvantová čísla, přisuzovaná elementárním částicím k popisu zákonitostí jejich interakce (leptonové číslo (viz § 275), baryonové číslo (viz § 275), podivnost (viz § 274), kouzlo (viz § 275) atd. ). Do roku 1956 se věřilo, že mezi částicemi a antičásticemi existuje úplná symetrie, to znamená, že pokud mezi částicemi dojde k nějakému procesu, pak mezi antičásticemi musí být přesně stejný (se stejnými charakteristikami) proces. V roce 1956 se však prokázalo, že taková symetrie je charakteristická pouze pro silné a elektromagnetické interakce a je porušena pro slabé.

Srážka částice a antičástice by podle Diracovy teorie měla vést k jejich vzájemné anihilaci, v důsledku čehož vznikají další elementární částice či fotony. Příkladem toho je uvažovaná reakce (263.3) anihilace páru elektron - pozitron (-1 0 E+ + 1 0 E® 2g).

Poté, co byla experimentálně potvrzena teoreticky předpokládaná existence pozitronu, vyvstala otázka existence antiprotonu a antineutronu. Výpočty ukazují, že k vytvoření páru částice-antičástice je nutné vynaložit energii přesahující dvojnásobek klidové energie páru, protože částicím musí být předána velmi významná kinetická energie. K vytvoření páru p-p je zapotřebí energie přibližně 4,4 GeV. Antiproton byl skutečně experimentálně (1955) objeven při rozptylu protonů (urychlených na tehdy největším synchrofasotronu na Kalifornské univerzitě) na nukleonech cílových jader (cílem byla měď), v důsledku čehož došlo k vytvoření páru p - p vyrobeno.

Antiproton se od protonu liší znaky elektrického náboje a vlastního magnetického momentu. Antiproton může anihilovat nejen s protonem, ale také s neutronem:

(273.1) (273.2) (273.3)

O rok později (1956) se pomocí stejného urychlovače podařilo získat antineutron (ñ) a provést jeho anihilaci. Antineutrony vznikly v důsledku výměny náboje antiprotonů při jejich pohybu hmotou. Reakce výměny náboje sestává z výměny nábojů mezi nukleonem a antinukleonem a může probíhat podle následujících schémat:

(273.4) (273.5)

Antineutron se od neutronu liší znakem vlastního magnetického momentu. Pokud jsou antiprotony stabilní částice, pak volný antineutron, pokud neprojde anihilací, nakonec podstoupí rozpad podle schématu

Antičástice byly nalezeny i pro mezon p +, kaony a hyperony (viz § 274). Existují však částice, které antičástice nemají – jedná se o takzvané skutečně neutrální částice. Patří mezi ně foton, p°-mezon a η-mezon (jeho hmotnost je 1074m e, životnost 7×10 -19 s; rozpadá se tvorbou p-mezonů a γ-kvant). Skutečně neutrální částice nejsou schopny anihilace, ale procházejí vzájemnými přeměnami, což je základní vlastnost všech elementárních částic. Dá se říci, že každá ze skutečně neutrálních částic je totožná se svou antičásticí.

Velkou zajímavostí a vážnými obtížemi byl důkaz existence antineutrin a odpověď na otázku, zda jsou neutrina a antineutrina totožné nebo různé částice. Američtí fyzici F. Reines a K. Cowan (1956) pomocí silných antineutrinových toků produkovaných v reaktorech (štěpné fragmenty těžkých jader podléhají β-rozpadu a podle (258.1) emitují antineutrina) spolehlivě zaznamenali reakci záchytu elektronu antineutrino protonem:

Podobně byla zaznamenána reakce záchytu elektronového neutrina neutronem:

Reakce (273.6) a (273.7) tedy byly na jednu stranu nezpochybnitelným důkazem, že v E a ṽ E, - reálné částice, a ne fiktivní pojmy zavedené pouze pro vysvětlení β-rozpadu, a na druhou stranu potvrdily závěr, že v E a ṽ E- různé částice.

Následně to ukázaly experimenty na produkci a absorpci mionových neutrin v m a ṽ m jsou různé částice. Je také prokázáno, že dvojice v E, v m jsou různé částice a dvojice v E,proti E není shodný s párem v m, ṽ m Podle myšlenky B. M. Pontecorva (viz § 271) byla provedena reakce záchytu mionového neutrina (získaného při rozpadu p + ®m + + v m (271.1)) neutrony a byly pozorovány výsledné částice. Ukázalo se, že k reakci (273.7) nedochází a zachycení probíhá podle schématu

tj. místo elektronů se v reakci zrodily m - -miony. To potvrdilo rozdíl mezi v E a v m

Podle moderních koncepcí se neutrina a antineutrina od sebe liší jednou z kvantových charakteristik stavu elementární částice – spnralitou, definovanou jako projekce spinu částice do směru jejího pohybu (za hybnost). Pro vysvětlení experimentálních dat se předpokládá, že spin neutrina s je orientován antiparalelně k hybnosti p, tj. směry p a s tvoří levotočivý šroub a neutrino má levotočivou helicitu (obr. 349, a) . U antineutrina tvoří směr p a s pravotočivý šroub, tj. antineutrino má pravotočivou spinalitu (obr. 349, b). Tato vlastnost platí stejně pro elektronová i mionová neutrina (antineutrina).

Aby mohla být helicita použita jako charakteristika neutrina (antineutrina), musí být hmotnost neutrina rovna nule. Zavedení helicity umožnilo vysvětlit např. porušení zákona zachování parity (viz § 274) při slabých interakcích způsobujících rozpad elementárních částic a β-rozpad. Tedy m - -muonu je přiřazena pravotočivá helicita a m + -mionu - levotočivá helicita.

Po objevení takového množství antičástic vyvstal nový úkol – najít antijádra, jinými slovy dokázat existenci antihmoty, která je postavena z antičástic, stejně jako se hmota vyrábí z částic. Antijádra byla skutečně objevena. První antinukleus - antideuteron (vázaný stav p̃ a ñ) získala v roce 1965 skupina amerických fyziků vedená L. Ledermanem. Následně byla na Serpuchovově urychlovači syntetizována jádra antihelium (1970) a antitritium (1973).

Je však třeba poznamenat, že možnost anihilace při setkání s částicemi neumožňuje antičásticím existovat mezi částicemi po dlouhou dobu. Proto pro stabilní stav antihmoty musí být izolována od hmoty. Pokud by došlo k nahromadění antihmoty v blízkosti nám známé části Vesmíru, pak by mělo být pozorováno silné anihilační záření (výbuchy s uvolněním obrovského množství energie). Nic takového však zatím astrofyzici nezaregistrovali. Pro další poznání struktury hmoty mají zásadní význam výzkum prováděný za účelem hledání antijader (v konečném důsledku antihmoty) a první úspěchy dosažené v tomto směru.