Столкновения антипротонов с протонами приводят к образованию большого числа вторичных частиц. Характерной особенностью процесса p-аннигиляции является большая величина сечения, т.к. он происходит в результате сильного взаимодействия.
На рис 13.1 для сравнения показаны экспериментально измеренные полные сечения взаимодействия адронов, сечение реакции (γ,p) и сечение реакции (γ,γ"). Адронные сечения имеют характерные величины 10–100 мбарн и слабо растут в области энергий >10 ГэВ в системе центра масс.

Рис. 13.1 Адронные, γ,p и γ,γ" полные сечения.

Сечение реакции с участием барионов и антибарионов p, Σp на протоне, как правило, в 1.5 раза больше, чем сечения реакции под действием мезонов K - p, π - p, что объясняется кварковым составом мезонов и барионов. Мезоны состоят из кварка и антикварка, а барионы из трех кварков. Соотношение сечений указывает на существенную роль кварк-кварковых взаимодействий в рассматриваемой области энергий.

Рис. 13.2. Сечения полного и упругого pp и p рассеяния в зависимости от импульса пучка в л.с. и полной энергии√s в с.ц.м.

Характерные величины электромагнитных сечений (γ,γ") 10 -4 –10 -3 мбарн, что на 5–6 порядков меньше адронных сечений. Сечение реакции (γ,p) в диапазоне энергий от 1 до 100 ГэВ имеет величину 0.1–0.5 мбарн.
Столкновения антипротонов с протонами могут привести к упругому рассеянию, неупругому рассеянию, аннигиляции и к перезарядке.
На рис. 13.1–13.2 приведены сечения полного и упругого pp- и p-рассеяния в зависимости от энергии и импульса сталкивающихся частиц. Если в области энергий больше 10 ГэВ полные сечения реакций pp и p имеют примерно одинаковые величины, то в области низких энергий E < 1 ГэВ полное сечение p гораздо больше, чем сечение реакции pp, что объясняется тем, что в этой области энергий открыт дополнительный канал реакции p-аннигиляции.
Аннигиляция протонов и антипротонов при низких энергиях приводит к образованию нескольких π-мезонов и реже K‑мезонов. Суммарная энергия частиц, образовавшихся в результате p‑аннигиляции при низкой энергии, равна удвоенной энергии покоя протона. При p‑аннигиляции при высоких энергиях происходят столкновения между отдельными кварками и антикварками, входящими в состав протона и антипротона. Такие столкновения приводят к образованию большого разнообразия частиц и в частности p‑столкновения были использованы для поиска и изучения частиц-переносчиков слабого взаимодействия W ± - и Z‑бозонов.

Открытие W - - и Z - -бозонов

Промежуточные W ± - и Z-бозоны впервые наблюдались в 1983 г. в ЦЕРН в специально поставленном для этого эксперименте.

К. Руббиа: «C тех пор, как Анри Беккерель и Пьер и Мария Кюри сделали свои фундаментальные открытия в прошлом столетии, было обнаружено большое число бета-радиоактивных ядер. Все эти явления оказываются обусловленными парой фундаментальных реакций, в которых происходят взаимные превращения протона и нейтрона:

n → p + e - + e , p → n + e + + ν e . (1)

Согласно Ферми, эти процессы можно описать по теории возмущений как результат точечного взаимодействия, описываемого произведением всех четырех полей, участвующих в реакции.
При соударениях частиц высоких энергий наблюдались сотни новых адронов. Эти новые частицы, которые обычно нестабильны, оказываются столь же фундаментальными, как и нейтрон или протон. Большинство новых состояний проявляют такие же характерные особенности слабых взаимодействий, что и нуклоны. Спектроскопию этих состояний можно описать при помощи введения понятия о фундаментальных точечных фермионах со спином 1/2, кварках, обладающих дробными электрическими зарядами +(2/3)e или −(1/3)e и находящихся в трех различных состояниях по цвету. Универсальность явлений слабых взаимодействий при этом хорошо интерпретируется как следствие фермиевского взаимодействия на кварковом уровне. Например, реакции (1), в действительности, обусловлены следующими процессами:

(d) → (u) + e - + e , (u) → (d) + e + + ν e ,

где (u) обозначает кварк с зарядом +(2/3)e, a (d) − кварк с зарядом −(1/3)e (скобками указано, что кварки находятся в связанном состоянии). Н. Кабиббо показал, что универсальность слабых взаимодействий семейств кварков можно хорошо понять, если считать, что существует заметное смешивание кварковых состояний с зарядом −(1/3)e. Подобным же образом три лептонных семейства − а именно, (e,ν e), (μ,ν μ), и (τ,ν τ) − ведут себя аналогично в процессах слабых взаимодействий…
Впервые, в 1938 г., Оскар Клейн предположил, что слабые взаимодействия могут передаваться массивными заряженными полями. Хотя Клейн использовал идею Юкавы о появлении короткодействующих сил за счет массивных квантов поля, в его теории также устанавливалась тесная связь между электромагнетизмом и слабыми взаимодействиями.
Теперь-то мы знаем, что его предвидение оправдалось в электрослабой теории Глэшоу, Вайнберга и Салама, которая еще будет обсуждаться подробнее в этой лекции. Следует прямо процитировать высказывание Клейна:
«Роли этих частиц и их свойства во многом подобны роли фотонов, и, возможно, мы можем назвать их «электро-фотонами» (точнее, электрически заряженными фотонами)» .

W ± - и Z-бозоны как переносчики слабого взаимодействия были предсказаны С. Вайнбергом , Ш. Глэшоу и А. Саламом в развитой ими электрослабой теории , объединившей электромагнитное и слабое взаимодействие. Предсказанные массы W- и Z-бозонов были соответственно в районе 80 и 90 ГэВ/с 2 . В 1976 г. было предложено для поиска W- и Z-бозонов построить в ЦЕРН (Женева, Швейцария) новый ускоритель и в 1981 г. такой ускоритель был создан под руководством
С. Ван дер Меера . Этот ускоритель (суперсинхротрон SpS) представлял собой протон-антипротонный коллайдер с энергиями сталкивающихся пучков протонов и антипротонов по 270 ГэВ каждый. В дальнейшем энергии частиц были увеличены до 315 ГэВ.

Рис. 13.3. p-аннигиляция с образованием 4 заряженных 2π + , 2π - и 3 нейтральных π 0 -мезонов.

W- и Z-бозоны должны были рождаться в p-столкновениях:

р + → W ± + X и р + → W +X.

где Х – совокупность других частиц, рождающихся при p‑взаимодействии. Так как протон и антипротон состоят соответственно из трёх кварков (p = uud) и трёх антикварков ( = ), промежуточные бозоны W + , W - , Z рождаются в результате кварк-антикваркового взаимодействия

u + → W + , + d → W - , u + → Z, d + → Z.

Остальные два кварка и два антикварка при каждом p‑столкновении с рождением промежуточного бозона не участвуют в этом процессе, и продолжают своё движение в направлении движения первичных p-пучков, формируя струи адронов и антиадронов. Это направление, совпадающее с направлением движения первичных протона p и антипротона , обычно называется продольным .
Так как время жизни промежуточного бозона по оценкам должно быть ~10 -25 с, зафиксировать его рождение можно лишь по продуктам его распада. В большинстве случаев промежуточный бозон распадается на пару кварк-антикварк, разлетающуюся в противоположные стороны. Однако, искать W- и Z-бозоны по кварк-антикварковой ветви их распада нецелесообразно, так как кварк и антикварк такого распада «тонут» в огромном фоне кварков и антикварков, не участвующих в рождении W- и Z-бозонов и превращающихся в струи адронов и антиадронов.
Из адронного фона более надежно выделяются распады W ± - и Z‑ бозонов на лептоны, в результате которых лептоны вылетают в направлениях перпендикулярных или близких к ним относительно направления столкновения протона и антипротона. Это направление называется поперечным . Прежде всего, это распады

W + → e + + ν e , W - → e - + e , Z → e + + e - ,

где ν e и e -электронное нейтрино и антинейтрино. Вероятности рождения W ± - и Z- бозонов в p-столкновениях с последующим их распадом по лептонным каналам равны соответственно около 10 -8 и 10 -9 от полной вероятности всех процессов, исходящих при p‑столкновении. Несмотря на маленькую долю распадов по лептонному каналу, наблюдение электронов и позитронов от распада W ± и Z-бозонов даёт возможность идентификации W ± - и Z-бозонов. Поэтому было решено искать W- и Z -бозоны по их распадам на лептоны, летящие в поперечном направлении, т.е. под углами близкими к 90 о относительно направления движения сталкивающихся p‑пучков. Этими лептонами обязательно должны были быть либо электрон (распад W - ‑бозона) или позитрон (распад W + ‑бозона) и соответствующие им антинейтрино и нейтрино, либо электрон и позитрон (распад Z- бозона). Идентификация события рождения W - - бозона должна выглядеть следующим образом. Имеющие почти одинаковые массы и скорости - и d‑кварки испытывают лобовое столкновение и W - - бозон рождается в состоянии покоя с m W c 2 ≈ 80 ГэВ. Затем W - -бозон распадается на электрон и электронное антинейтрино, которые летят в поперечных противоположных направлениях с одинаковыми импульсами и практически одинаковыми энергиями E(e -) ≈ E( e) ≈ m W c 2 /2 ≈ 40 ГэВ. Таким образом, детектор должен зарегистрировать электрон с энергией 40 ГэВ, летящий в поперечном направлении. Антинейтрино вылетаетиз детектора без регистрации. Событие с одним электроном, летящим с энергией 40 ГэВ в поперечном направлении и с недостающим поперечным импульсом ГэВ/с в противоположном относительно электрона направлении, является доказательством образования и распада W - - бозона. Никакая другая частица, кроме W - ‑ бозона, не может оставить такой след в экспериментальной установке.
Для идентификации Z-бозона детектор должен зарегистрировать электрон и позитрон, летящие в противоположные стороны в поперечном направлении с одинаковыми энергиями
E(e +) ≈ E(e -) ≈ m Z c 2 /2 ≈ 45 ГэВ.

Рис. 13.4. Блок-схема ускорительного комплекса SpS (не в масштабе).
SpS − основное кольцо протон-антипротонного суперсинхротрона на энергию 270 ГэВ.
PS − протон-антипротонный синхротрон на энергию 26 ГэВ.
1 − предварительный синхротрон (бустер) на энергию 800 МэВ, 2 − линейный ускоритель протонов на энергию 50 МэВ. 3 − источник ионов, 4 − мишень для получения антипротонов с энергией 3.5 ГэВ. 5 − накопитель антипротонов с энергией 3.5 ГэВ

Синхротрон SpS

Ускоритель SpS был создан в результате модернизации протонного суперсинхротрона SРS. Ускоритель размещён на глубине 50 м под землёй в тоннеле диаметром 4 м. Радиус кольца ускорителя 1.1 км (соответственно длина кольца 6.9 км). По окружности ускорителя было расположено в периодической последовательности 108 идентичных структур, состоящих из ~ 800 отклоняющих дипольных магнитов и более 200 фокусирующих квадрупольных магнитов. Пучок фокусировался попеременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Точность установки фокусирующих магнитов была 0.1 мм. Величина отклоняющего магнитного поля в процессе ускорения увеличивалась от 0.045 до 1.8 Тл.
В ускоритель SpS протоны и антипротоны поступали уже ускоренными до энергии 26 ГэВ в протонном синхротроне PS. В свою очередь в PS они инжектировались из предварительного синхротрона меньших размеров (бустера), в котором энергия протонов достигала 800 МэВ. В бустер протоны попадали из линейного ускорителя на энергию 50 МэВ. В линейный ускоритель они поступали от газоразрядного источника ионов. Таким образом, SpS являлся ускорительным комплексом, состоящим из четырёх последовательных ускорителей. При создании SpS комплекс был дополнен системой генерации и накопления антипротонов.
Антипротоны рождались протонами, ускоренными до энергии 26 ГэВ в PS, падавшими на медную мишень (доля антипротонов в общем числе адронов, возникавших в мишени, составляла 10 -8). Далее магнитные и электрические поля отбирали антипротоны с энергией 3.5 ГэВ, и они поступали в накопитель антипротонов. Накопители (накопительные кольца) − это устройства для накопления и длительного удержания (часы, дни) пучка заряженных частиц на стационарной замкнутой орбите в высоком вакууме при постоянной энергии. Накопленные антипротоны с энергией 3.5 ГэВ направлялись в PS и затем в SpS, где они, как и протоны, ускорялись до 270 ГэВ, двигаясь в одной и той же ускорительной камере в противоположных направлениях.
Для того чтобы максимально увеличить эффективность использования пучков антипротонов, применялась процедура «охлаждения» антипротонного пучка, которая уменьшала разброс в траекториях и энергиях отдельных, в результате чего пучки антипротонов становились более плотными, моноэнергетическими. В результате вероятность столкновения протонов и антипротонов существенно возрастала. Охлаждение происходило в антипротонном накопителе и осуществлялось стохастическим методом, предложенным Ван дер Меером . Специальный датчик в определённой точке вблизи орбиты антипротонов отслеживал их параметры и при отклонении траектории антипротона от оптимальной посылал сигнал на корректирующее устройство, располагавшееся через полоборота от датчика.
В основном ускорительном кольце SpS в вакууме 10 -11 торр вращалось по три сгустка протонов и антипротонов. Их пересечения и столкновения происходили в нескольких точках орбиты, окруженных детекторами продуктов реакции. Длина сгустка была 20 см, площадь поперечного сечения − 3·10 -4 см 2 , число частиц в сгустке 10 10 -10 11 . Время между столкновениями − 3.8 мкс. Так как вероятность взаимодействия при каждом столкновении мала (σ ≈ 10 -26 см 2), пучки циркулировали в ускорительной камере многие часы.
В коллайдере SpS энергии p-пучков были выбраны равными 270 ГэВ. На первый взгляд, кажется, что суммарная энергия сталкивающихся протона и антипротона (270 + 270 = 540 ГэВ) намного превышает требуемые для рождения W- и Z‑ бозонов пороговые энергии (80 и 90 ГэВ). На самом деле энергия столкновения 540 ГэВ была подобрана оптимально для рождения промежуточных бозонов. Объясняется это тем, что необходимо учесть, что кварки (антикварки), составляющие протон (антипротон), несут лишь примерно половину его импульса. Оставшаяся половина импульса протона приходится на глюоны. Так как u- и d- кварки имеют примерно одинаковые массы, то на каждый из трёх кварков протона приходится 1/6 полной энергии ускоренных протона и антипротона. Таким образом, оптимальная энергия столкновения кварка и антикварка, которая в процессах может быть использована на рождение промежуточного бозона, составляет примерно 1/6 от величины 540 ГэВ, т. е. около 90 ГэВ.
Для регистрации событий распада W- и Z-бозонов были созданы две установки: UA1 и UA2, которые находились в разных точках столкновения p-пучков и работали независимо. UA1 и UA2 несколько отличаются друг от друга. UA означает сокращённое словосочетание Underground Area – Подземная Зона. Экспериментальные установки, как и ускоритель, находились под землёй. Такое дублирование является характерным для экспериментов в физике высоких энергий и обеспечивает однозначность интерпретации результата эксперимента.

Рис. 13.5. −Схема установки UA1. Пучки протонов и антипротонов влетают в детектор с диаметрально противоположных сторон (справа и слева) и, двигаясь навстречу вдоль оси ваккумной трубы, сталкиваются в середине центрального детектора

Общий вид установки UA1 показан на рис. 13.5. UA1 является сложной системой детекторов различного типа общим размером 10×5×10 м 3 и массой 2000 тонн. Управление работой детектора и обработка информации с него осуществлялась 24-мя ЭВМ. Пучки протонов и антипротонов попадали в детектор с двух противоположных сторон и сталкивались в его центре. Точка соударения p-пучков находилась −внутри центрального детектора, имевшего форму цилиндра длиной 5.8 м и диаметром 2.3 м.
В центральнойчасти детектора располагались большие дрейфовые камеры, помещённые в магнитное поле. Общее число проволочек в этих камерах было равно 23 000. Магнитное поле 0.7 Тл создавалось в объёме 7×3.5×3.5 м 3 . Центральный детектор позволял восстановить траектории частиц, рождавшихся при p‑столкновениях, определить их импульсы и ионизационную способность. Максимальное время дрейфа электронов, возникающих при ионизации заряженной частицей атомов газовой смеси в дрейфовой камере, было 3.6 мкс, т. е. несколько меньше временнòго интервала 3.8 мкс между двумя последовательными столкновениями сгустков протонов и антипротонов.
Центральный детектор был окружён электромагнитным калориметром, состоявшим из чередующихся слоёв свинца и сцинтиллятора. В калориметре поглощались электроны, позитроны и фотоны и измерялась энергия этих частиц. Электромагнитный калориметр в сочетании с центральным детектором позволял различать электроны, позитроны и адроны.
Высокоэнергичные адроны проходили через электромагнитный калориметр и попадали в адронный калориметр, которым служило железное ярмо магнита, проложенное слоями сцинтилляторов. Информация с адронного и электромагнитного калориметров позволяла определить энергию и направление движения регистрируемых ими частиц.
За пределы адронного калориметра из заряженных частиц могли выйти только мюоны μ ± . Для их регистрации предназначался мюонный детектор, который являлся самой внешней детектирующей системой UA1. Мюонный детектор представлял собой несколько слоёв дрейфовых камер.
Детектор UA1 регистрировал и идентифицировал все частицы, кроме нейтрино и антинейтрино, вылетавшие во всех направлениях, кроме тех, которые образуют углы ≤ 0.2° относительно оси сталкивающихся p-пучков. Уникальные возможности UA1 позволяли зарегистрировать практически все события взаимодействия протонов и антипротонов и реконструировать картину каждого из них.
Сечение рождения W-бозонов в p-столкновении σ(p→W ±) ≈ 5·10 -33 см 2 . Лишь примерно 8% родившихся W‑бозонов распадаются по каналу W → e + ν, который необходимо было обнаружить. Рождение Z -бозонов и их распад по каналу W → e + + e - происходит почти в 10 раз реже.
В 30-дневном сеансе в ноябре-декабре 1982 г. в результате анализа 1 млрд p-соударений было зафиксировано 6 событий W → e + ν. Последовательность выделения этих шести событий из 10 9 p‑соударений была следующей. Вначале было отобрано около 10 6 событий, в которых вылетающие частицы имели импульсы > 10 ГэВ/с в поперечном направлении относительно оси p-пучков. Из них было оставлено 140 000 событий, содержащих электрон или позитрон, которые идентифицировалисьпо характеру ливня в электромагнитном калориметре. Из них отобрали 28 000 случаев, отвечавших появлению в электромагнитном калориметре ливня с поперечным импульсом >15 ГэВ/с. Затем оставили 2125 событий, в которых ливни в электромагнитном калориметре являлись продолжением чёткого одиночного трека заряженной частицы в центральном детекторе с поперечным импульсом > 7 ГэВ/с. В результате применения ещё нескольких критериев было оставлено 39 самых надёжных событий, каждое из которых анализировалось «индивидуально». Конечный итог всего анализа – 6 событий образования и распада W → e + ν.
К тем же шести событиям привёл и альтернативный метод отбора событий. В нём из 2125 случаев были оставлены лишь те, в которых наблюдались большие (10-40 ГэВ/с) недостающие поперечные импульсы, уносимые нерегистрируемыми частицами. Этими частицами могли быть только нейтрино и антинейтрино.
Ещё 4 события W → e + ν были найдены на установке UA2.
В следующих экспериментальных сеансах 1983 г. было получено уже несколько десятков событий рождения и распада W‑ бозонов. Кроме того, были обнаружены первые 13 случаев рождения и распада Z‑ бозонов. Из данных экспериментов были определены массы W- и Z‑ бозонов.

Для всякой известной элементарной частицы имеется вероятность найти античастицу — то есть частицу с той же массой, но противоположными другими физическими характеристиками.

В 1920-е годы — после введения принципов квантовой механики — субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.

Увы, столь простой картине мира суждено было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету (см. Элементарные частицы), и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы .

Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — «позитрон» (производное от «позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляци — обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году. Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта — собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson, 1905-91) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.

При помощи этого аппарата, получившего название конденсационная камера , Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью. По интенсивности трека, оставленного частицей, он мог судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. К 1932 году ему удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess, 1883-1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей. — Прим. переводчика .) Это был первый (и, пока что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!

Хотя вышеописанный пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание - проверка» в рамках научного метода, описанного во Введении , историческая реальность представляется не столь простой, как кажется. Дело в том, что Андерсон, судя по всему, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идет, скорее, об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона.

Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

См. также:

1917, 1934

Ядерный распад и синтез

В 1928 году Дирак опубликовал работу, впервые объясняющую поведение электрона с точки зрения сочетания принципов теории относительности и квантовой механики. Именно в этой работе было предсказано существование античастиц, и за неё Дирак несколько позже в 1933 году получил Нобелевскую премию по физике, разделив ее с Эрвином Шрёдингером.

Антипротон – заряженная элементарная частица, масса которой равна массе протона. Заряд (-4,8 · 10 -10 CGSE) и магнитного момента (-2,793 ядерного магнетону) антипротона равны этим же величинам у протона, но знаком противоположные. Согласно кварковой модели адронов (см. Кварки), антипротон состоит из трех антикварка; двух u-кварков и одного d-кварка.
Антипротон был открыт в лаборатории университета Беркли в 1955 году. Антипротон был впервые обнаружен экспериментально в 1955 Оуэном Чемберленом, Эмилио Сегре, К. Виганд (С. Wiegand) и Т. Ипсилантисом (Т. Ypsilantis) у университета Беркли (По его открытия Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен получили Нобелевскую премию по физике 1959) на ускорителе протонов с максимальной энергией 6,3 ГэВ. Вследствие сохранения барионного числа рождения антипротона должно сопровождаться рождением протона, поэтому для рождения антипротона необходимо, чтобы суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц, в системе центра масс превышала энергию покоя пары протон-антипротон. Это условие выполнялось на ускорителе в Беркли для столкновения протонов с ядрами мишени. Исследование было поставлено таким образом. Пучок протонов из ускорителя падал на медную мишень, в которой в результате взаимодействия протонов с ядрами меди рождались различные частицы. Магниты отбирали отрицательно заряженные частицы (преимущественно? –мезоны), отклоняя их в направлении черенковских счетчиков, измеряли скорость частиц. Отождествление частицы с антипротонов проводилось по величине ее массы, которая определялась из соотношения между импульсом (измеряемым по отклонению в магнитном поле) и скоростью частицы. В опыте рождалось несколько антипротонов на 10 Ноября столкновений протонов с мишенью.
При отсутствии вещества антипротон, как и протон, с очень высокой степенью точности стабилен. В веществе "время жизни" медленного антипротона определяется скоростью его аннигиляции.
Кулоновская взаимодействие между антипротонами и ядрами может вызывать образование антипротонных атомов – связанных водородоподобных систем (см. Адронный атомы). На малых расстояниях между антипротонов и нуклоном действуют ядерные силы притяжения, которые могут приводить к образованию связанной системы антипротон-нуклон (бариония). В результате сильного (ядерного) взаимодействия между антипротонов и антинуклонамы могут образовываться ядра антивещества, а в результате электромагнитной (кулоновского) взаимодействия между антипротонов и позитроном – атомы антиводорода.
Длительное существование антипротона возможно только при низкой плотности нуклонов – в накопителях заряженных частиц, а также в космическом пространстве.
Наблюдение антипротонов в космических лучах указывает на наличие космических источников антипротонов. Таким источником может быть взаимодействие высокоэнергичных частиц космических лучей с межзвездным веществом. Антипротоны могут рождаться, например, в оболочке пульсара при взаимодействии с ее веществом высокоэнергичных частиц, ускоряются магнитным полем пульсара, а также в окрестности активного ядра Галактики. В связи с превышением наблюдаемого потока космических антипротонов (особенно в области энергий

Физики из CERN в ходе экспериментов получили максимально точные свидетельства того, что все физические свойства протона и его античастицы могут быть абсолютно идентичны друг другу. Хотя речь идет исключительно об одной паре частиц, дискуссии о вопросе ассиметричности материи во Вселенной разгорелись с новой силой.

Осуществив 13 тысяч столкновений при высоких энергиях и обобщив все данные, мы обнаружили, что соотношения массы и заряда для протона и антипротона, а также их прочие физические характеристики равны друг другу с погрешностью, равной 69 частям на триллион. Таковая точность измерений может показаться фантастической, но она всего в 4 раза выше прежних измерений. И все же мы в очередной раз ограничили вероятность того, что нарушение симметричности законов природы имеет место.

Напомним, протон - это элементарная частица, самостоятельно или вместе с нейтроном составляющая основу всех без исключения атомных ядер. Протон относится к барионам, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, и участвует во всех фундаментальных взаимодействиях. Антипротон же, по всей видимости, отличается только противоположным зарядом.

Считается, что Большой взрыв должен породить равное количество материи и антиматерии, частицы которой аннигилируют, соприкасаясь друг с другом. Следовательно все вещество должно было буквально уничтожить само себя в первые же моменты жизни Вселенной. Однако то, что мы наблюдаем сегодня кардинальном образом отличается от такой модели: мы наблюдаем значительную ассиметричность материи, т.е. преобладание материи над антиматерией. Возникает логичный вопрос: Куда подевалась последняя и почему Вселенная существует до сих пор?

Согласно Стандартной модели, которая наиболее полно и точно описывает микромир из существующих физических теорий, все физические и химические свойства, кроме заряда, частиц и их античастиц должны полностью совпадать. В то же время основная идея наиболее вразумительной теории, объясняющей наблюдаемую ассиметрию, заключается в том, что у пары частица-античастица существуют какие-либо различия, возможно, незначительные, но достаточные для того, чтобы не произошла аннигиляция при их соприкосновении. На протяжении последних нескольких лет физики нашли несколько возможных намеков, что такие различия все же существуют.

Впрочем, результаты работы г-н Ульмера и его коллег из коллаборации BASE фактически ставят крест на подобных предположениях: достигнутая точность их измерений слишком высока. Окончательно разобраться с этим вопросом команда планирует в обозримом будущем, повысив точность измерений до 100 раз, что должно позволить либо безповоротно подтвердить имеющиеся на данный момент заключения либо же найти отличия в особенностях частиц и их противоположно заряженных «близнецов».

Более подробный отчет о работе физиков можно найти в издании Nature.