Этюд обантичастицах: антиматерия, антивещество что это такое?

      Комментарии к записи Этюд обантичастицах: антиматерия, антивещество что это такое? отключены

Этюд обантичастицах: антиматерия, антивещество что это такое?

    Идея о возможности существования антивещества была высказана еще в эру классической физики, в конце XIX века Водород и антиводород по собственному строению совсем аналогичны — они складываются из лептона и адрона. В первом случае положительно заряженный протон, складывающийся из трех кварков (двух верхних и одного нижнего), и отрицательно заряженный электрон образуют атом прекрасно привычного нам водорода.
    Антиводород складывается из отрицательно заряженного антипротона, что, со своей стороны, выстроен из трех соответствующих антикварков и положительно заряженного позитрона (античастицы электрона) Аннигиляция позитрона и электрона при низких энергий порождает как минимум два (это обусловлено сохранением импульса) фотона. Данный процесс схематически возможно изобразить посредством так называемой диаграммы Фейнмана.
    При превышении определенного энергетического порога аннигиляция может происходить с рождением «виртуальных» фотонов, каковые снова скоро распадаются на пары позитронов и электронов антивещества и аннигиляции Компьютерная модель вещества. Красные линии — фотоны, разлетающиеся в противоположных направлениях при аннигиляции позитронов, а желтые — частицы, образующиеся при аннигиляции антипротонов. Треки исходят из одной точки — это свидетельство того, что позитроны и антипротоны образуют атомы антиводорода (опыт ATHENA в ЦЕРН) Времяпроекционная камера опыта PANDA интернационального центра FAIR в Дармштадте

Открытие античастиц по праву считается наибольшим достижением физики ХХ столетия. Оно в первый раз доказало нестабильность материи на самом глубинном, самом фундаментальном уровне. До этого все были уверены, что вещество отечественного мира сложено из элементарных частиц, каковые ни при каких обстоятельствах не исчезают и не рождаются заново.

Эта несложная картина ушла в прошлое, в то время, когда почти 80 лет назад было доказано, что электрон и его положительно заряженный двойник при встрече исчезают, рождая кванты электромагнитного излучения. Позднее стало известно, что частицам микромира по большому счету характерно преобразовываться приятель в приятеля, причем многими методами. Открытие античастиц положило начало коренной изменения фундаментальных представлений о природе материи.

Идея о возможности существования антивещества в первый раз была высказана во второй половине 90-ых годов XIX века — британец Артур Шустер разместил в издании Nature очень туманную заметку, возможно, вдохновленную недавним открытием электрона. «В случае если существует отрицательное электричество, — вопрошал Шустер, — то из-за чего бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, с той же точкой плавления и с таким же спектром?» А дальше у него — в первый раз во всемирной научной литературе — появляются и слова «антивещество» и «антиатом». Шустер предполагал, что антиатомы притягиваются друг к другу гравитационными силами, но отталкиваются от простой материи.

Антиэлектроны в первый раз были увидены в опыте опять-таки до момента собственного официального открытия. Это сделал ленинградский физик Дмитрий Скобельцин, что в 1920-х годах изучил рассеяние гамма-лучей на электронах в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Он увидел, что кое-какие треки помой-му электронного происхождения искривляются не в том направлении, куда положено.

Дело, очевидно, в том, что гамма-квант при сотрудничестве с веществом может давать начало позитрону и электрону, каковые в магнитном поле закручиваются в противоположных направлениях. Скобельцин этого, конечно, не знал и растолковать необычный эффект не смог, но во второй половине 20-ых годов двадцатого века рассказал о нем на интернациональной конференции в Кембридже. По занятному совпадению, годом ранее в совет кембриджского колледжа Св.

Иоанна избрали молодого физика Поля Дирака, чьи изучения со временем разрешили растолковать эти странности.

Уравнение Дирака

Во второй половине 20-ых годов XX века австриец Эрвин Шредингер сформулировал уравнение, обрисовывающее поведение нерелятивистских частиц, подчиняющихся квантовой механике, — дифференциальное уравнение, решения которого определяют состояния частицы. Уравнение Шредингера обрисовывало частицу, которая не имеет собственного углового импульса — поясницы (в противном случае говоря, не ведет себя как волчок).

Но во второй половине 20-ых годов XX века уже было как мы знаем, что электроны владеют поясницей, что может иметь два разных значения: грубо говоря, ось электронного волчка ориентируется в пространстве только в двух противоположных направлениях (спустя год подобное подтверждение было получено и для протонов). Тогда же швейцарский теоретик Вольфганг Паули обобщил уравнение Шредингера для электрона, так дабы оно разрешало учитывать спин. Так, спин вначале открыли экспериментально, а позже искусственно навязали шредингеровскому уравнению.

В релятивистской механике Эйнштейна формула для энергии свободной частицы выглядит сложнее, нежели в ньютоновской. Перевести эйнштейновскую формулу в квантовое уравнение несложно, это проделали и Шредингер, и трое его современников. Но решения для того чтобы уравнения говорят о том, что возможность нахождения частицы в определенной точке может оказаться отрицательной, что не имеет физического смысла.

Появляются и другие неприятности, обусловленные тем, что математическая структура нового уравнения (его именуют уравнением Клейна-Гордона) расходится с теорией относительности (на формальном языке, оно не есть релятивистски инвариантным).

Вот над данной задачей во второй половине 20-ых годов XX века и задумался Дирак. Для сохранения инвариантности он включил в уравнение не квадраты импульса и операторов энергии, а их первую степень. Дабы записать уравнение в таком виде, было нужно изначально ввести в него более сложные, чем у Паули, матрицы размером 4х4.

У этого уравнения обнаружились четыре равноправных ответы, причем в двух случаях энергия электрона хороша, а в двух — отрицательна.

Тут-то и появилась загвоздка. Первая пара ответов интерпретировалась легко — это простой электрон в каждом из вероятных спиновых состояний. В случае если добавить в уравнение Дирака электромагнитное поле, то легко окажется, что электрон владеет верным магнитным моментом. Это был огромный успех теории Дирака, которая без всяких дополнительных догадок наделила электрон и поясницей, и магнитным моментом.

Но в первое время никто не имел возможности сделать вывод, что делать с остальными ответами. И в ньютоновской, и в эйнштейновской механике энергия свободной частицы ни при каких обстоятельствах не бывает отрицательной, и частицы с энергией меньше нуля приводили к недоумению. К тому же было неясно, из-за чего простые электроны не переходят в предсказанные теорией Дирака состояния с заведомо меньшей энергией, тогда как электроны в оболочках атомов таковой возможности не упускают.

Поиски смысла

Через два года Дирак отыскал прекрасную интерпретацию парадоксальных ответов. В соответствии с принципом Паули два электрона (как и каждые частицы с полуцелым поясницей) не смогут в один момент быть в однообразном квантовом состоянии. По мысли Дирака, все состояния с отрицательной энергией в норме уже заполнены, а переход в эти состояния из территории хороших энергий запрещен принципом Паули.

Исходя из этого дираковское море электронов с отрицательной энергией в принципе ненаблюдаемо, но только , пока в нем нет свободных вакансий. Такую вакансию возможно создать, в случае если вышибить электрон с отрицательного энергетического уровня на хороший (к примеру, достаточно замечательным квантом электромагнитного излучения).

Потому, что электронное море утратит единицу отрицательного заряда, показавшаяся вакансия (Дирак назвал ее дыркой) будет вести себя в электрическом поле как частица с плюсовым зарядом. По данной же логике падение электрона из обычного состояния в такую дырку ведет к исчезновению и электрона, и дырки, сопровождающемуся испусканием одного фотона.

А как проявляют себя дираковские дырки в реальности? Сперва Дирак отождествлял их с протонами, о чем в первой половине 30-ых годов двадцатого века и написал в Nature. Это было как минимум необычно — протон в 2000 раз тяжелее электрона.

нобелевский лауреат и Будущий академик Игорь будущий отец и Тамм ядерной бомбы Роберт Оппенгеймер выдвинули и более важное возражение, увидев, что тогда любой атом водорода стоит перед угрозой исчезновения, а этого в природе не происходит. Дирак скоро отказался от данной догадки и в сентябре 1931 года выступил со статьей, где предсказал, что дырки, в случае если их удастся найти, окажутся совсем новыми частицами, малоизвестными экспериментальной физике. Он внес предложение назвать их антиэлектронами.

Дираковская модель ушла в историю по окончании создания квантовой квантовой теории и электродинамики поля, каковые приписывают античастицам и частицам однообразную действительность. Из квантовой электродинамики направляться кроме этого, что встреча свободного электрона с антиэлектроном влечет за собой рождение не меньше пары квантов, так что в данной части модель попросту неверна. Как часто не редкость, уравнение Дирака выяснилось большое количество умнее интерпретации, предложенной его создателем.

Открытие антиэлектрона

Как уже было сообщено, позитроны практически замечал еще Дмитрий Скобельцин. В первой половине 30-ых годов двадцатого века с ними столкнулся аспирант Калифорнийского технологического университета Чунг-Яо Чао, изучивший прохождение гамма-квантов через свинцовую фольгу. В этом опыте появлялись электронно-позитронные пары, по окончании чего новорожденные позитроны аннигилировали с электронами ядерных оболочек и порождали вторичное гамма-излучение, которое и зарегистрировал Чао.

Но многие физики усомнились в итогах, и эта работа признания не взяла.

Начальником Чао был президент Калтеха, нобелевский лауреат Роберт Милликен, что в те времена занимался космическими лучами (он и внес предложение данный термин). Милликен вычислял их потоком гамма-квантов и потому ожидал, что они будут расколачивать атомы на протоны и электроны (нейтрон открыли позднее, в первой половине 30-ых годов двадцатого века). Милликен внес предложение проверить эту догадку Карлу Андерсону, второму собственному аспиранту и к тому же другу Чао.

Тот, подобно Скобельцину, решил воспользоваться камерой Вильсона, соединенной с весьма замечательным электромагнитом. Андерсон также взял треки заряженных частиц, каковые снаружи не отличались от треков электронов, но были изогнуты в обратном направлении. Сперва он приписал их электронам, каковые движутся не сверху вниз, а снизу вверх. Для контроля он установил в центре камеры свинцовую пластинку толщиной 6 мм.

Оказалось, что над пластиной величины импульсов частиц с треками электронного типа в два с лишним раза превышают эти показатели в нижней части камеры — из этого следовало, что все частицы движутся сверху вниз. Данный же прием доказал, что частицы с аномальной закруткой не смогут быть протонами — те бы застряли в свинцовом экране.

В итоге Андерсон заключил , что практически все аномальные треки принадлежат каким-то легким частицам с хорошим зарядом. Но Милликен в это не поверил, а Андерсон без одобрения шефа не желал публиковаться в научной печати. Исходя из этого он ограничился маленьким письмом в популярный издание Science News Letter и приложил к нему фотографию аномального трека. Согласившийся с интерпретацией Андерсона редактор внес предложение назвать новую частицу позитроном.

Данный снимок был размещён в декабре 1931 года.

Сейчас отыщем в памяти, что Дирак опубликовал догадку о существовании антиэлектрона еще в сентябре. Но и Андерсон, и Милликен практически ничего не знали о его теории и вряд ли понимали ее сущность. Исходя из этого Андерсону не пришло в голову отождествить позитрон с дираковским антиэлектроном. Он еще долго пробовал убедить Милликена в собственной правоте, но, так не достигнув успеха, в сентябре 1932 года разместил в издании Science заметку о собственных наблюдениях.

Но в данной работе речь заходит все-таки не о двойнике электрона, а только о положительно заряженной частице малоизвестного вида, масса которой большое количество меньше массы протона.

Следующий ход к идентификации антиэлектрона произвели в месте его предсказания — в Кембридже. Британский физик Патрик Блэкетт и его итальянский сотрудник Джузеппе Оккиалини занимались изучением космических лучей в известной Кавендишской лаборатории, возглавляемой великим Резерфордом.

Оккиалини внес предложение оснастить камеру Вильсона электронной схемой (придуманной его соотечественником Бруно Росси), включавшей камеру при одновременного срабатывания счетчиков Гейгера, один из которых был установлен над камерой, а второй — под ней. К осени 1932 года партнеры взяли около 700 фотографий треков, каковые возможно было приписать заряженным частицам космического происхождения. Среди них имелись и V-образные трековые пары, порожденные расходящимися в магнитном поле позитронами и электронами.

Блэкетт знал о предсказанном Дираком антиэлектроне, но не принимал его теорию действительно. Сам Дирак также не рассмотрел собственной гипотетической частицы на снимках Блэкетта. В итоге Блэкетт и Оккиалини верно трактовали собственные фотоснимки только позднее, в то время, когда ознакомились с сентябрьской публикацией Андерсона. Собственные выводы они представили в статье со скромным заголовком «Фотографии треков проникающей радиации», добравшейся до редакции издания Proceedings of the Royal Society 7 февраля 1933 года.

К этому времени Андерсон определил о соперниках из Кавендиша и в полной мере адекватно изложил собственные результаты в четырехстраничной статье «Хороший электрон», которая поступила в издание Physical Review 28 февраля. Потому, что приоритет Андерсона был установлен прошлыми публикациями, он один и взял за открытие позитрона Нобелевскую премию (во второй половине 30-ых годов двадцатого века, совместно с первооткрывателем космических лучей Виктором Гессом). Блэкетт был удостоен данной награды 12 годами позднее (с формулировкой «За усовершенствование способов наблюдений на камере Вильсона и за открытия в области ядерной космической радиации и физики»), а вот Оккиалини премией обошли — считается, что по политическим соображениям.

Скоро изучения позитрона двинулись вперед семимильными шагами. Парижский физик Жан Тибо замечал электронно-позитронные пары земного происхождения, порожденные торможением в свинце гамма-квантов от радиоактивного источника. Он доказал, что у обеих частиц отношение заряда к массе по полной величине сходится с высокой точностью. В первой половине 30-ых годов XX века Фредерик Жолио и Ирен Кюри поняли, что позитроны появляются и при радиоактивном распаде.

Так что к середине 30-х годов ХХ века существование предсказанных Дираком антиэлектронов превратилось в установленный факт.

Антинуклоны

Механизм порождения позитронов космическими лучами установлен в далеком прошлом. По большей части первичное космическое излучение складывается из протонов с энергией более 1 ГэВ, каковые при столкновениях с ядрами атомов в верхних слоях воздуха порождают пионы и другие нестабильные частицы. Пионы дают начало новым распадам, на протяжении которых появляются гамма-кванты, каковые при торможении в веществе создают электронно-позитронные пары.

Достаточно стремительные протоны при столкновении с ядрами атома способны конкретно порождать антинейтроны и антипротоны. В середине ХХ века физики уже не сомневались в возможности аналогичных превращений и искали их следы во вторичных космических лучах. Результаты некоторых наблюдений помой-му возможно было трактовать как аннигиляцию антипротонов, но без полной уверенности.

Исходя из этого американские физики внесли предложение проект сооружения протонного ускорителя на 6 ГэВ, на котором, в соответствии с теории, было вероятно взять оба типа антинуклонов. Эта машина, названная беватроном, была запущена в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли в первой половине 50-ых годов XX века. Спустя год Оуэн Чемберлен, Эмилио Сегре и их сотрудники взяли антипротоны, обстреливая протонами бронзовую мишень.

Еще через год вторая несколько физиков на той же установке зарегистрировала антинейтроны. В 1965 году в ЦЕРН и в Брукхейвенской национальной лаборатории были синтезированы ядра антидейтерия, сложенные из антинейтрона и антипротона.

А сначала 1970-х из СССР пришло сообщение, что на 70-ГэВ протонном ускорителе Университета физики высоких энергий синтезированы ядра антигелия-3 (два антипротона и антинейтрон) и антитрития (антипротон и два антинейтрона); в 2002 году пара ядер легкого антигелия были взяты и в ЦЕРН. Дальше дело пока не двинулось, так что синтез хотя бы одного ядра антизолота — дело неблизкого будущего.

Рукотворное антивещество

Ядра ядрами, но для настоящего антивещества требуются полноценные атомы. Несложный из них — атом антиводорода, антипротон плюс позитрон. Такие атомы были в первый раз созданы в ЦЕРН в 1995 году — через 4 десятилетия по окончании открытия антипротона.

В полной мере быть может, что это первенствовали атомы антиводорода за время существования отечественной Вселенной по окончании Громадного взрыва — в природных условиях возможность их рождения фактически нулевая, а существование внеземных технологических цивилизаций все еще под вопросом.

Данный опыт был осуществлен под управлением германского физика Вальтера Олерта. В ЦЕРН тогда действовало накопительное кольцо LEAR, в котором хранились низкоэнергетические (всего-то 5,9 МэВ) антипротоны (оно проработало с 1984 по 1996 год). В опыте группы Олерта антипротоны направляли на струю ксенона.

По окончании столкновения антипротонов с ядрами этого газа появлялись электронно-позитронные пары, и кое-какие позитроны очень редко (с частотой 10−17%!) объединялись с антипротонами в атомы антиводорода, движущиеся практически что со скоростью света. Незаряженные антиатомы больше не могли вращаться в кольца и вылетали по направлению к двум детекторам. В первом приборе любой антиатом ионизировался, и высвобожденный позитрон аннигилировал с электроном, порождая несколько гамма-квантов.

Антипротон уходил во второй детектор, что до исчезновения данной частицы успевал выяснить ее скорость и заряд. Сопоставление данных с обоих детекторов продемонстрировало, что в опыте было синтезировано не меньше 9 атомов антиводорода. Скоро релятивистские атомы антиводорода были созданы и в Фермилабе.

С лета 2000 года в ЦЕРН действует новое кольцо AD (Antiproton Decelerator). В него поступают антипротоны с кинетической энергией 3,5 ГэВ, каковые замедляются до энергии в 100 МэВ и после этого употребляются в разнообразных опытах. Антивеществом в том месте занялись группы ATHENA и ATRAP, каковые в 2002 году стали разово приобретать десятки тысяч атомов антиводорода.

Эти атомы появляются в особенных электромагнитных бутылках (так называемых ловушках Пеннинга), где смешиваются поступающие из AD антипротоны и рождающиеся при распаде натрия-22 позитроны. Действительно, жизнь нейтральных антиатомов в таковой ловушке измеряется всего лишь микросекундами (но антипротоны и позитроны смогут храниться в том месте месяцами!). На данный момент отрабатываются разработке более долгого хранения антиводорода.

В беседе с «ПМ» начальник группы ATRAP (проект ATHENA уже закончен), доктор наук Гарвардского университета Джеральд Габриэлс выделил, что, в отличие от LEAR, установка AD разрешает синтезировать довольно медленные (как говорят физики, холодные) атомы антиводорода, с которыми существенно проще трудиться. на данный момент ученые пробуют еще посильнее охладить антиатомы и перевести их позитроны на уровни с меньшей энергией.

В случае если это окажется, то покажется возможность продолжительнее удерживать антиатомы в силовых ловушках и определять их физические особенности (к примеру, спектральные характеристики). Эти показатели возможно будет сопоставить со особенностями простого водорода и осознать наконец, чем антивещество отличается от вещества. Работы еще непочатый край.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№87, январь 2010).

ЧТО ТАКОЕ АНТИМАТЕРИЯ? КАК ДОБЫТЬ АНТИВЕЩЕСТВО?


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: