– двойники обычных элементарных частиц, которые отличаются от последних знаком электрического заряда и знаками некоторых других характеристик. У частицы и античастицы совпадают массы, спины, времена жизни. Если частица характеризуется и другими внутренними квантовыми характеристиками, имеющими знак, то у античастицы величины этих характеристик те же, но знаки противоположны. Если частица нестабильна (испытывает распад), то нестабильна и античастица, причём времена жизни у них совпадают и совпадают способы распада (с точностью до замены в схемах распада частиц на античастицы).
Обычное вещество состоит из протонов (р), нейтронов (n) и электронов (е -). Антивещество состоит из их античастиц – антипротонов (), антинейтронов () и антиэлектронов (позитронов е +). Выбор того, какие частицы считать частицами, а какие античастицами, условен и определяется соображениями удобства. Античастицей античастицы является частица. При столкновении частица и античастица исчезают (аннигилируют), превращаясь в гамма-кванты.
В некоторых случаях (например, фотон или π 0 -мезон и др.) частица и античастица полностью совпадают. Это связано с тем, что фотон и π 0 -мезон не имеет электрического заряда и других внутренних характеристик со знаком.

Характеристика	Частица	Античастица
Масса	M	M
Электрический заряд	+(-)Q	-(+)Q
Спин	J	J
Магнитный момент	+(-)μ	-(+)μ
Барионное число	+B	-B
Лептонное число	+L e , +L μ , +L τ	-L e , -L μ , -L τ
Странность	+(-)s	-(+)s
Очарование (Charm)	+(-)c	-(+)c
Bottomness	+(-)b	-(+)b
Topness	+(-)t	-(+)t
Изоспин	I	I
Проекция изоспина	+(-)I 3	-(+)I 3
Четность	+(-)	-(+)
Время жизни	T	T
Схема распада		Зарядово сопряженная

Антивещество состоит из античастиц – антипротонов , антинейтронов и антиэлектронов - позитронов е + . Частицы и античастицы равноправны. Выбор того, какие частицы считать частицами, а какие античастицами, условен и определяется соображениями удобства. В наблюдаемой части Вселенной вещество состоит из отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и нейтронов.
При столкновении электрона и позитрона они исчезают (аннигилируют), превращаясь в гамма-кванты. При аннигиляции сильновзаимодействующих частиц, например, протона и антипротона, образуется несколько мезонов π + , π - , π 0 , K + , K - , K 0 .

Совокупность элем. частиц, имеющих те же значения масс и прочих физ. хар-к, что и их «двойники» - ч-цы, но отличающихся от них знаком нек-рых хар-к вз-ствий (напр., электрич. заряда, магн. момента). Название «ч-ца» и «А.» в известной мере условны: можно было бы называть антиэлектрон (положительно заряж. эл-н) ч-цей, а эл-н - А. Однако атомы в-ва в наблюдаемой части Вселенной содержат эл-ны с отрицат. зарядом, а протоны - с положительным. Поэтому для известных к нач. 20-х гг. 20 в. элем. ч-ц - эл-на и протона (и позднее нейтрона) было принято название «частица».

Вывод о существовании А. впервые был сделан в 1931 англ. физиком П. Дираком. Он вывел релятив. квант. ур-ние для эл-на (Дирака уравнение), к-рое оказалось симметричным относительно знака электрич. заряда: наряду с отрицательно заряж. эл-ном оно описывало положительно заряж. ч-цу той же массы - антиэлектрон. Согласно теории Дирака, столкновение ч-цы и А. должно приводить к их аннигиляции - исчезновению этой пары, в результате чего рождаются две или более других ч-ц, напр. фотоны.

В 1932 антиэлектроны были экспериментально обнаружены амер. физиком К. Андерсоном. Он фотографировал ливни, образованные космическими лучами в камере Вильсона, помещённой в магн. поле. Заряж. ч-ца движется в магн. поле по дуге окружности, причём ч-цы с зарядами разных знаков отклоняются полем в противоположные стороны. Наряду с хорошо известными тогда следами быстрых эл-нов Андерсон обнаружил на фотографиях совершенно такие же по внеш. виду следы положительно заряж. ч-ц той же массы. Эти ч-цы были названы позитронами.Открытие позитрона явилось блестящим подтверждением теории Дирака. С этого времени начались поиски других А.

В 1936 также в косм. лучах были обнаружены отрицат. и положит. мюоны (m- и m+), являющиеся ч-цей и А. по отношению друг к другу. В 1947 было установлено, что мюоны косм. лучей возникают в результате распада несколько более тяжёлых ч-ц - пи-мезонов (p-, p+). В 1955 в опытах на ускорителе были зарегистрированы первые антипротоны. Физ. процессом, в результате к-рого образовались антипротоны, было рождение пары протон - антипротон. Несколько позже были открыты антинейтроны. К 1981 экспериментально обнаружены А. практически всех известных элем. ч-ц.

Общие принципы квантовой теории поля позволяют сделать ряд глубоких выводов о св-вах ч-ц и А.: масса, спин, изотопический спин, время жизни ч-цы и её А. должны быть одинаковыми (в частности, стабильным ч-цам отвечают стабильные А.); одинаковыми по величине, но противоположными по знаку должны быть не только электрич. заряды (и магн. моменты) ч-цы и А., но и все остальные квант. числа, к-рые приписываются ч-цам для описания закономерностей их вз-ствий: барионный заряд, лептонный заряд, странность, «очарование» и др. Ч-ца, у к-рой все хар-ки, отличающие её от А., равны нулю, наз. истинно нейтральной; ч-ца и А. таких ч-ц тождественны. К ним относятся, напр., фотон, p0- и h-мезоны, J/y- и Y-частицы.

До 1956 считалось, что имеется полная симметрия между ч-цами и А. Это означает, что если возможен к.-л. процесс между ч-цами, то должен существовать точно такой же процесс и между А. В 1956 было обнаружено, что такая симметрия имеется только в сильном и эл.-магн. вз-ствии. В слабом вз-ствии было открыто нарушение симметрии частица-А. (см. ЗАРЯДОВОЕ СОПРЯЖЕНИЕ). Из А. в принципе может быть построено антивещество точно таким же образом, как в-во из ч-ц. Однако возможность аннигиляции при встрече с ч-цами не позволяет А. сколько-нибудь длит. время существовать в в-ве. А. могут долго «жить» только при условии полного отсутствия контакта с ч-цами в-ва. Свидетельством о наличии антивещества где-нибудь «вблизи» от Вселенной было бы мощное аннигиляц. излучение, приходящее на Землю из области соприкосновения в-ва и антивещества. Но пока астрофизике не известны данные, к-рые говорили бы о существовании во Вселенной областей, заполненных антивеществом.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия ..1983 .

АНТИЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы, имеющие те же значения масс, спинов и др. физ. характеристик, что и их "двойники" - "частицы", но отличающиеся от них знаками нек-рых характеристик взаимодействия ( зарядов, напр. знаком электрич. заряда).

Существование А. было предсказано П. A. M. Дираком (P. A. M. Dirac). Полученное им в 1928 квантовое релятивистское ур-ние движения электрона (см. Дирака уравнение )с необходимостью содержало решения с отрицат. энергиями. В дальнейшем было показано, что исчезновение электрона с отрицат. энергией следует интерпретировать как возникновение частицы (той же массы) с положит. энергией и с положит. электрич. зарядом, т. е. А. по отношению к электрону. Эта частица - позитрон - открыта в 1932.

В последующих экспериментах было установлено, что не только электрон, но и все остальные частицы имеют свои А. В 1936 в космич. лучах были открыты мюон и его А. , а в 1947 - - и -мезоны, составляющие пару частица А.; в 1955 в опытах на ускорителе зарегистрирован антипротон, в 1956 - антинейтрон и т. д. К наст. времени наблюдались А. практически всех известных частиц, и не вызывает сомне-" ния, что А. имеются у всех частиц.

Существование и свойства А. определяются в соответствии с фундам. принципом квантовой теории поля - её инвариантностью относительно СРТ -преобразования (см. Теорема CPT). Из CPТ -теоремы следует, что масса, спин и время жизни частицы и её А. должны быть одинаковыми. В частности, стабильным (относительно распада) частицам соответствуют стабильные А. (однако в веществе сколько-нибудь длительное существование их невозможно из-за аннигиляции с частицами вещества). Состояния частиц и их А. связаны операцией зарядового сопряжения.

Поэтому частица и А. имеют противоположные знаки электрич. зарядов (и магн. моментов), имеют одинаковый изотопический спин, но отличаются знаком его третьей проекции, имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку странность, очарование, красоту и т. д. Преобразование комбинированной инверсии (CP )связывает спиральные состояния частицы с состояниями А. противоположной спиральности. Частицам и их А. приписываются одинаковые по величине, но противоположные по знаку барионное и лептонное числа.

Вследствие инвариантности относительно зарядового сопряжения ( С -инвариантности) сильного и эл.-магн. взаимодействий связанные соответствующими силами составные объекты из частиц (атомные ядра, атомы) и из А. (ядра и атомы антивещества )должны иметь идентичную структуру. По той же причине совпадает структура адронов и их А., причём в рамках модели кварков состояния антибарионов описываются точно так же, как состояния барионов с заменой составляющих кварков на соответствующие им антикварки. Состояния мезонов и их А. отличаются заменой составляющих кварка и антикварка на соответствующие антикварк и кварк. Для истинно нейтральных частиц состояния частицы и А. совпадают. Такие частицы обладают определёнными зарядовой чётностью (С-чёт-ностью) и СР -чётностью. Все известные истинно нейтральные частицы - бозоны (напр., -мезоны - со спином - со спином 1), однако в принципе могут существовать и истинно нейтральные фермионы (т. н. майорановские частицы).

Слабое взаимодействие не инвариантно относительно зарядового сопряжения и, следовательно, нарушает симметрию между частицами и А., что проявляется в различии нек-рых дифференц. характеристик их слабых распадов.

Если к.-л. из квантовых чисел электрически нейтральной частицы не сохраняется строго, то возможны переходы (осцилляции) между состояниями частицы и её А. В этом случае состояния с определённым несохраняющимся квантовым числом не являются собств. состояниями оператора энергии-импульса, а представляют собой суперпозиции истинно нейтральных состояний с определ. значениями массы. Подобное явление может реализовываться в системах и т. п.

Само определение того, что называть "частицей" в паре частица-А., в значит. мере условно. Однако при данном выборе "частицы" её А. определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барионов определить "частицу" в любой паре барион-антибарион. Выбор электрона как "частицы" в паре электрон-позитрон фиксирует (вследствие сохранения лептонного числа в процессах слабого взаимодействия) определение состояния "частицы" в паре электронных нейтрино-антинейтрино. Переходы между лептонами разл. поколений (типа ) не наблюдались, так что определение "частицы" в каждом поколении лептонов, вообще говоря, может быть произведено независимо. Обычно по аналогии с электроном "частицами" называют отрицательно заряж. лептоны, что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино. Для бозонов понятие "частица" может фиксироваться определением, напр., гиперзаряда.

Рождение А. происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-А. (см. Рождение пар). В лаб. условиях А. рождаются во взаимодействиях частиц на ускорителях; хранение образующихся А. осуществляют в накопительных кольцах при высоком вакууме. В естеств. условиях А. рождаются при взаимодействии первичных космич. лучей с веществом, напр., атмосферы Земли, а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер галактик. Теоретич. астрофизика рассматривает образование А. (позитронов, антинуклонов) при аккреции вещества на чёрные дыры. В рамках совр. космологии рассматривают рождение А. при испарении первичных чёрных дыр малой массы.

При темп-pax, превышающих энергию покоя частиц данного сорта (использована система единиц = 1), пары частица-А. присутствуют в равновесии с веществом и эл.-магн. излучением. Такие условия могут реализовываться для электрон-позитронных пар в горячих ядрах массивных звёзд. Согласно теории горячей Вселенной, на очень ранних стадиях расширения Вселенной в равновесии с веществом и излучением находились пары частица-А. всех сортов. В соответствии с моделями великого объединения эффекты нарушения C- и СР-инвариантности в неравновесных процессах с несохранением барионного числа могли привести в очень ранней Вселенной к барионной асимметрии Вселенной даже в условиях строгого начального равенства числа частиц и А. Это даёт физ. обоснование отсутствию наблюдат. данных о существовании во Вселенной объектов из А.

Лит.: Дирак П. A. M., Принципы квантовой механики, пер. с англ., 2 изд., M., 1979; Нишиджима К., Фундаментальные частицы, пер. с англ., , 1965; Ли Ц., Ву Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., M., 1968; 3ельдович Я. В., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, M., 1975. M. Ю. Хлопов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия .Главный редактор А. М. Прохоров .1988 .

Мы привыкли использовать приставку анти- для обозначения противоположных сущностей. Например, герой и антигерой в приключенческом фильме ведут непримиримое сражение. Однако в микромире частица и античастица не полностью противопоставляются друг другу. У частицы и античастицы одинаковые масса, время жизни, спин, отличается лишь заряд. Но и здесь не все так просто.

Что такое античастицы

Как правило, со школьной скамьи большинство людей под зарядом понимают только электрический заряд. Действительно, если рассматривать электрон и его античастицу - позитрон, то они различаются именно электрическим зарядом: у электрона электрический заряд отрицательный, а у позитрона - положительный. Однако, помимо электромагнитного, существуют также гравитационное, сильное и слабое взаимодействия, каждое из которых также обладает своими зарядами. Скажем, протон, имеющий положительный электрический заряд, и антипротон, имеющий отрицательный электрический заряд, в сильном взаимодействии приобретают барионный заряд (или барионное число), равный +1 для протона и -1 для антипротона. Поэтому в случае, если электрический заряд отсутствует, например, как у нейтрона и антинейтрона, сильновзаимодействующие частицы все равно различаются барионным числом, которое равно +1 для нейтрона и -1 для антинейтрона.

Бывают ли ситуации, когда и барионный, и электрический заряды равны нулю? Да, например, в случае с мезонами. Они состоят из кварка и антикварка, и по определению их барионный заряд - ноль. Рассмотрим, например, электрически нейтральные К-мезоны - удивительные частицы, в которых было открыто нарушение комбинированной пространственной и зарядовой четности. Существуют К0-мезон и анти-К0-мезон. Электрический и барионный заряды обеих частиц равны нулю. Почему же они тогда считаются частицей и античастицей? В данном случае различается кварковый состав мезонов. К0-мезон состоит из анти-s-кварка и d-кварка. Анти-К0-мезон состоит, наоборот, из s-кварка и анти-d-кварка. Странный кварк - s - обладает новым квантовым числом или зарядом - странностью. Странность различна для s- и анти-s-кварков точно так же, как барионный заряд различается для протонов и антипротонов; d-кварки и d-антикварки имеют свое квантовое число, аналогичное странности. Эти заряды позволяют различать между собой электрически и барионно-нейтральные К0- и анти-К0-мезоны.

Однако бывает так, что частицы и античастицы тождественны. Например, φ-мезон, который состоит из анти-s-кварка и s-кварка, а его античастица, наоборот, из s-кварка и анти-s-кварка. Получается, что φ-мезон сам себе античастица. На самом деле частиц, подобных φ-мезону, существует множество. Самая известная из них, наверное, J/ψ - мезон, который состоит из очаровательного кварка и антикварка. Фотоны также тождественны себе. И переносчики слабого взаимодействия - Z0-бозоны - тоже. Но есть одна элементарная частица, для которой ответ на вопрос, тождественна ли она сама себе, не прояснен до сих пор. Эта частица - нейтрино. Она участвует только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Впрочем, гравитационное взаимодействие при масштабах энергий, доступных в настоящее время, не играет никакой роли. Поэтому можно сказать, что нейтрино участвует только в слабых взаимодействиях. В квантовой теории поля для описания состояний нейтрино существуют два подхода. Первый - это так называемый дираковский подход, в рамках которого нейтрино и антинейтрино считаются нетождественными друг другу. Иными словами, с точки зрения теоретиков, нейтрино и антинейтрино похожи на электрон и позитрон. Второй - подход Майораны, в котором нейтрино и антинейтрино считаются тождественными друг другу. Выбор в пользу концепции Майораны может дать экспериментальное наблюдение двойного безнейтринного бета-распада ядер. Данный распад - один из самых сложных для экспериментального наблюдения. В настоящее время этот процесс все еще не обнаружен.

История открытия античастиц

Уже в Древней Греции античные мыслители задались вопросом о фундаментальной структуре материи. По научной моде тех лет греки искали первоэлементы. В результате этих поисков у греков появилось несколько совершенно различных наборов первоэлементов и даже концепция атомов в качестве экстравагантного довеска. Но греки не могли сделать выбор между разными наборами, поскольку для выбора было недостаточно только логических аргументов, а до идеи постановки решающего эксперимента оставалось почти 2000 лет.

Только на рубеже XVII–XVIII веков физика сформировалась как наука, основной движущей силой которой является эксперимент, и оставалась ею вплоть до первой четверти XX века. Именно неожиданные экспериментальные результаты послужили толчком к появлению классической электродинамики, специальной теории относительности и квантовой механики.

Однако в 1928 году все изменилось. Выдающийся английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики Поль Дирак написал релятивистское квантовое уравнение для частиц с полуцелым спином. Это уравнение обладало одной важной особенностью, которую Дирак в него не закладывал: если у этого уравнения существовало решение для частиц с отрицательным электрическим зарядом, то неминуемо появлялось дополнительное решение для частиц с положительным зарядом. В начале 1930-х годов была известна всего одна частица с полуцелым спином и отрицательным зарядом - это был электрон - и одна частица с полуцелым спином и положительным зарядом, и это был протон. Поначалу физики думали, что два решения уравнения Дирака соответствуют именно этим двум частицам. Но очень скоро немецкий математик Герман Вейль доказал, что частицы из уравнения Дирака с положительными и отрицательными зарядами должны иметь одинаковые массы. И тут возникла проблема, поскольку протон примерно в 2000 раз тяжелее электрона.

То есть теория Дирака предсказывала принципиально новый факт. Говоря современным языком, Поль Дирак предсказал античастицы. Только поначалу в них никто не поверил, а самого Дирака критиковали за якобы ошибочное уравнение. И зря. Ведь уже год, как античастицы были открыты. Только об этом не догадывался даже их первооткрыватель - талантливый советский физик-экспериментатор Дмитрий Владимирович Скобельцын. Дело в том, что он был увлечен актуальной для того времени проблемой: изучением состава космических лучей, то есть частиц, которые попадают на Землю из космоса. Чтобы измерить импульс частиц космических лучей и их заряд, Скобельцын поместил камеру Вильсона - новейший для 1930-х годов прибор, который регистрировал треки заряженных частиц, - в постоянное магнитное поле. В такой камере пришедшие из космоса положительно заряженные частицы должны закручиваться в одну сторону, а отрицательные - в другую. Скобельцын наблюдал несколько треков, похожих на треки электронов, но закручивающихся в противоположную сторону. С высоты современного знания мы понимаем, что такие треки оставляли позитроны. Но ученый предположил, что эти треки оставляют электроны, которые летят с поверхности Земли, где образуются в результате естественной радиоактивности, и перестал интересоваться данными треками.

Поэтому первооткрывателем позитронов во всем мире считается Карл Андерсон. Этот блестящий американский экспериментатор знал о теории Дирака и захотел экспериментально проверить существование «электронов с другим зарядом». Андерсон использовал методику Скобельцына с небольшим дополнением, которое сделало американского экспериментатора Нобелевским лауреатом: он поместил в камеру Вильсона свинцовую пластину. Заряженная частица, попадая в пластину, теряет часть своей энергии, ее импульс уменьшается, кривизна трека в магнитном поле меняется. Поэтому по изменению кривизны трека можно понять, с какой стороны от свинцовой пластины в камеру влетела частица. Это была та информация, которой не имел Скобельцын, чтобы открыть позитрон. Оказалось, что частицы, треки которых похожи на треки электронов, но закручены в другую сторону, летят из космоса так же, как и обычные электроны. Андерсон поставил свой эксперимент в 1932 году. Этот год считается годом открытия античастиц и годом, начиная с которого теория в физике частиц начала опережать эксперимент. Нейтрино, бозон Хиггса, топ-кварк сначала были предсказаны теоретиками. Порой эксперименты подтверждали теорию спустя полвека, как это было, например, с бозоном Хиггса.

Можно сказать, что на новом уровне мы вернулись к ситуации, которая была в Древней Греции: теоретики предлагают множество новых фундаментальных концепций, как когда-то греки предлагали различные наборы первоэлементов. Только теперь экспериментаторы пытаются проверять эти концепции, если есть подобная технологическая возможность.

А что с антипротоном? Это вторая античастица, которая была открыта физиками. Ее обнаружила в 1955 году на протонном ускорителе группа талантливого итальянского физика Эмилио Сегре, бежавшего от нацистов в Америку. Открытие было удостоено Нобелевской премии за 1959 год. Почти одновременно с антипротоном был открыт антинейтрон.

В настоящее время обнаружены сотни античастиц. Любая заряженная частица, необязательно с полуцелым спином, имеет свою античастицу. За открытие античастиц больше не вручают Нобелевские премии. А обнаруженное еще Андерсоном свойство частицы и античастицы при взаимодействии превращаться в фотоны - аннигилировать - породило одну из фундаментальных загадок современной физики - барионную асимметрию Вселенной. Уравнение Дирака давно признано всеми физиками и легло в основание квантовой теории поля.

От античастиц к антиматерии

Если еще в 1960-е годы физики могли получать позитроны, антипротоны и антинейтроны, то, казалось бы, отсюда один шаг до синтеза антиматерии, например антиводорода. Однако на этом пути встают большие трудности.

Чтобы создать атомы и молекулы антиматерии, мало получить их составные кирпичики - античастицы. Эти античастицы нужно замедлить. Но, главное, антиматерию нужно хранить в мире, который состоит из материи. Античастицы нельзя просто положить в коробку: они проаннигилируют со стенками коробки. Если мы хотим сохранить античастицы, то надо хранить их в вакууме и в «сосуде без стенок». Для заряженных частиц в качестве подобного сосуда может использоваться сильное неоднородное магнитное поле. Задача удержания нейтральных частиц куда более сложная, но со временем она тоже была решена при помощи магнитного поля. В настоящее время антиводород удерживается в магнитных ловушках Пеннинга почти 20 минут.

Синтез антиматерии логично начать с синтеза антиядер. Однако на сегодняшний день в этом направлении не удалось достигнуть большого прогресса. Синтезированы лишь антигелий-3, который состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона, и антигелий-4, в состав которого входят два антипротона и два антинейтрона. (Заметим, что антигелий-3 был синтезирован в подмосковном Институте физики высоких энергий на ускорителе У-70, который в настоящее время является самым высокоэнергичным ускорителем частиц на территории России.)

Еще меньший прогресс достигнут при синтезе антиатомов. В настоящее время синтезированы только атомы антиводорода. Единичные атомы антиводорода были синтезированы в Европейском центре физики частиц (ЦЕРН) только в 1995 году. Настоящий прорыв произошел в 2002 году, когда было синтезировано около 50 миллионов атомов антиводорода. С тех пор ЦЕРН является мировым лидером в области изучения физических и химических свойств антиматерии.

Античастицы и фундаментальные законы природы

В современной физике симметрии играют исключительную роль. В квантовой теории поля одной из самых важных симметрий является так называемая СРТ-симметрия, то есть симметрия относительно одновременной замены всех зарядов на противоположные ©, зеркального отражения пространства (Р) и обращения вспять хода времени (Т). Считается, что в природе могут реализовываться только СРТ-симметричные теории. Из СРТ-симметрии следует множество свойств, которым должны подчиняться частицы и античастицы, - например, равенство масс обеих. В настоящее время интересно, как ведут себя не столько отдельные античастицы, сколько более сложные антиобъекты, такие как ядра и атомы. Например, в ЦЕРН активно исследуют спектроскопические свойства атомов антиводорода. СРТ-симметрия требует, чтобы эти свойства были точно такими же, как и у атома водорода. А еще атом антиводорода должен падать в гравитационном поле Земли точно так же, как атом водорода. И такой эксперимент сейчас проводится в ЦЕРН. Так что ЦЕРН - это не только Большой адронный коллайдер и бозон Хиггса. Это в том числе проверка фундаментальных симметрий природы. Для понимания окружающего мира эти симметрии даже важнее, чем бозон Хиггса. Пока эксперименты не смогли найти ни одного признака нарушения СРТ-симметрии.

Теперь оглянемся вокруг и зададимся еще одним естественным вопросом: почему нас окружает только материя? И куда из нашего мира исчезла антиматерия? Эта проблема получила название барионной асимметрии Вселенной. Из СРТ-теоремы наивно ожидать, что после Большого взрыва материи и антиматерии было равное количество. А значит, рано или поздно может произойти глобальная аннигиляция. И по безжизненной Вселенной будут метаться лишь почти не взаимодействующие одинокие фотоны.

Загадка барионной асимметрии пока не разгадана. Тут можно предложить несколько ответов. Например, из материи состоит наша Солнечная система, а другая звездная система, расположенная далеко от нашей, состоит из антиматерии. Но тогда непонятно, по каким причинам вместо аннигиляции материя и антиматерия предпочли разделиться в пространстве? Да и звездных антимиров астрономы не наблюдают.

Еще одну идею в 1967 году предложил советский академик, лауреат Нобелевской премии мира Андрей Дмитриевич Сахаров. Он предположил, что барионное число - то самое, о котором мы говорили в начале этой статьи, - нарушается, и дополнительно привлек экспериментальный факт нарушения комбинированной зарядовой © и пространственной (Р) четности. Тогда нестабильные частицы могут распадаться несколько иначе, чем нестабильные античастицы. И этого оказывается достаточно, чтобы в конце концов материи стало немного больше, чем антиматерии. Остальная материя и антиматерия проаннигилировали. А из небольшого избытка материи состоят все объекты во Вселенной. В настоящее время теория Сахарова дополнена и развита. Но основная идея осталась неизменной.

На антиматерии к звездам

Не будет преувеличением сказать, что человечество мечтает полететь к звездам. Но даже до ближайшей звезды, Проксимы Центавра, свет от Солнца идет более трех лет. До остальных звезд гораздо дальше. Фантасты легко преодолевают столь гигантские расстояния при помощи пространственно-временных туннелей, гипердвигателей, десятого измерения и прочих удобных, но, увы, всего лишь воображаемых способов передвижения. В реальном мире космолетам первых звездопроходцев придется двигаться в одном пространстве со светом и желательно со скоростью, близкой к скорости света. При этом мы хотим, чтобы такой космолет имел наименьшую возможную массу. В этой ситуации лучшего топлива, чем антиматерия, для космолета не найти. Действительно, вся масса топлива при аннигиляции переходит в фотоны, которые вылетают из сопла со скоростью света. Фотоны должны разогнать космолет до очень больших скоростей, которые составляют доли скорости света. А значит, полет до Проксимы Центавра может составить, скажем, тридцать лет. Это много, но звездопроходцы успеют вернуться на Землю в течение жизни одного поколения. Что дальше? Можно как в фантастике 1950–1960-х годов: космолетчики, почти нестареющие из-за парадокса близнецов, и девушки, которые ждут их на Земле в криогенных камерах. Космическая романтика золотых шестидесятых или суровые будни две тысячи пятидесятых? А ведь все началось с необычного уравнения Дирака, которое неизбежно должно было иметь два решения, и Карла Андерсона, который догадался вставить в камеру Вильсона свинцовую пластину.

На основе квантовой теории сформулирован принцип зарядового сопряжения. Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.

Эксперименты показывают, что, за немногим исключением (например, фотон), действительно каждой частице соответствует античастица.

Согласно квантовой теории частицы и античастицы имеют:

• - одинаковые массы;
• - одинаковое время жизни в вакууме;
• - одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды;
• - одинаковые спины, а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам (в данном пособии они не рассматриваются).

Античастицы обозначаются тем же символом, что и частицы, только с тильдой. До 1956 г. считалось, что имеется полная симметрия между частицами и античастицами, т.е. если какой-то процесс идет между частицами, то должен существовать точно такой же (с теми же характеристиками) процесс между античастицами. Однако в 1956 г. доказано, что подобная симметрия характерна только для сильного и электромагнитного взаимодействий и нарушается для слабого.

Согласно квантовой теории столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы, или фотоны. Примером тому является реакция аннигиляции пары электрон - позитрон:

т.е. электронно-позитронная пара превращается в два у-кван- та, причем энергия пары переходит в энергию фотонов. Появление в этом процессе двух у-квантов следует из закона сохранения импульса и энергии. Рассмотренная реакция - пример взаимосвязи различных форм материи: в этих процессах материя в форме вещества превращается в материю в форме электромагнитного поля, и наоборот.

После того как предсказанное теоретически существование позитрона было подтверждено экспериментально, возник вопрос о существовании антипротона и антинейтрона. Антипротон был действительно обнаружен экспериментально (1955) при рассеянии протонов (ускоренных на крупнейшем в то время синхрофазотроне Калифорнийского университета) на нуклонах ядер мишени (мишенью служила медь), в результате которого рождалась пара р-р. Антипротон отличается от протона знаками электрического заряда и собственного магнитного момента.

Годом позже (1956) на том же ускорителе удалось получить антинейтрон (Я) и осуществить его аннигиляцию (п отличается от Я знаком собственного магнитного момента). Если антипротон - стабильная частица, то свободный антинейтрон, если он не аннигиллирует, в конце концов претерпевает распад по схеме:

Античастицы были найдены также и для пионов, каонов и т.д. Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют, - это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, тг° -мезон и п° -мезон (его масса равна 1074 т с, время жизни 7 10 -19 с; распадается с образованием я-мезонов и у-квантов). Истинно нейтральные частицы не способны к аннигиляции, но испытывают взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементарных частиц. Можно сказать, что каждая из истинно нейтральных частиц тождественна своей античастице.

Большой интерес представляло доказательство существования антинейтрино, но поиск ответа на вопрос, являются нейтрино и антинейтрино тождественными или различными частицами, вызвал серьезные трудности. Однако с помощью очень многих тонких опытов было установлено, что нейтрино и антинейтрино - частицы разные, а также что пара у е, ^ - различные частицы, а пара ч е, У е нетождественна паре V V

После открытия столь большого числа античастиц на повестку дня встала новая задача - найти антиядра, иными словами, доказать существование антивещества, которое построено из античастиц, так же как вещество из частиц. Антиядра действительно были обнаружены. Первое антиядро - антидейтрон (связанное состояние р и Я) - было получено в 1965 г. группой американских физиков. Впоследствии на Серпуховском ускорителе были синтезированы ядра антигелия (1970) и антитрития (1973).

Антивещество - материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 году английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. Это следует из общих принципов квантовой теории поля и подтверждается надежными экспериментальными данными.

С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них - частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e - , m - , t - , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа - это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (g , Z 0), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W + , W -) также образуют пары частица - античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав (), антинейтрон - (). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: p - - мезон состоит из кварков (), а p + мезон состоит из кварков (). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки (например, p 0 , r , h - мезоны, куда входят пары кварков , и ); также мезоны будут истинно нейтральными.

Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их аннигиляция при столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е - + е + ® g + g . Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е - + е + ® m - + m + . В таких реакциях были открыты “очарованные” и “прелестные” частицы. В аналогичном процессе е - + е + ® t - + t + открыли тяжелый t - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

Операция замены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так как истинно нейтральные частицы тождественны своим античастицам, то при операции зарядового сопряжения они переходят сами в себя.

В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами. Подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра.

В 1965 году на ускорителе в США был получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития - тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом.

Ведь аннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 10 14 Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества.

Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах около 10 13 К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов (10 -9) и дало сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.

Откуда же взялся этот избыток? Одна из гипотез предполагает, что в начальном состоянии число частиц и античастиц совпадало, но затем из-за особенностей в динамике их взаимодействия возникла асимметрия.

Аннигиляция - это единственный процесс, в котором исчезает обе начальные частицы и вся их масса полностью переходит, например, в энергию фотонов. Никакая другая реакция, используемая в энергетике, таким свойством не обладает. И при делении урана, и в процессах термоядерного синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть (порядка десятых долей процента) массы покоя частиц, участвующих в реакции. Поэтому аннигиляция антивещества с веществом даёт в тысячу раз больше энергии, чем при делении такогоже количества урана. Если бы в нашем распоряжении была небольшая планетка из антивещества, то все проблемы с энергетическим кризисом сразу отпали. Предположим мы научились бы переводить всю энергию аннигиляции в электрическую. Тогда для того, чтобы обеспечить планету годовым запасом электроэнергии, надо отколоть от планеты и подвергнуть аннигиляции всего лишь 1000-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 1000 килограмм с сотнями миллионов тонн угля и нефти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу!

Сколько энергии выделяется на 1 грамм топлива

1. Аннигиляция вещества и антивещества 10 14 джоулей

2. Деление урана 10 11 джоулей

3. Сжигание угля 2,9 ž 10 4 джоулей

Антивещество было бы идеальным топливом ещё и потому, что оно не загрязняет окружающую среду. После аннигиляции в конечном счёте остаются только фотоны высокой энергии и нейтрино.

Нашу Землю регулярно бомбардирует поток космических лучей - частиц высоких энергий, которые генерируются при различных процессах, происходящих в нашей Галактике. Большую часть этих частиц составляют протоны и ядра гелия.

Но недавно, в 1979 году, в космических лучах были найдены и антипротоны. Об этом сообщили сразу две группы: советские физики из Ленинградского физико-технического института имени А. И. Иоффе и американские учёные из Центра космических полётов имени Л. Джонсона. Позитрон был обнаружен в космических лучах в 1932 году. Такой большой промежуток времени между открытием в космических лучах позитрона и антипротона объясняется тем, что антипротон намного сильнее взаимодействует с веществом, чем позитрон. антипротоны из космоса не успевают дойти до поверхности Земли, они аннигилируют уже в самых верхних слоях атмосферы. Именно поэтому поиск антипротонов в космических лучах представляет собой сложную техническую задачу. Надо поднять детектор как можно выше, к границе атмосферы. Все эксперименты по поиску античастиц в космических лучах были выполнены на аэростатах. Например, в опытах Р. Голдена воздушный шар поднимал на высоту 36 километров примерно 2 тонны аппаратуры.

Но можно ли считать, что эти антипротоны прилетели к нам из Антимира? Вообще говоря, нельзя. В космических лучах есть протоны достаточно высокой энергии, и при столкновении с частицами, например, межзвёздного газа они могут рождать антипротоны в той же самой реакции, что идёт на ускорителях:

Таким образом, сам факт обнаружения антипротонов в космических лучах можно объяснить, не привлекая гипотезы об антимире,

В космических лучах наблюдались обычные ядра многих элементов таблицы Менделеева, вплоть до Урана. Однако ни одного антиядра в космических лучах до сих пор обнаружено не было. Правда пределы, которые были получены в опытах по поиску антиядер ещё не настолько низки, чтобы можно уверенно исключить возможность их существования. Сторонники Антимира считают, что поток ядер антигелия должен быть в 10 раз меньше той величины, которую удалось измерить на сегодняшний день. Предсказываемое значение не слишком мало и в принципе достижимо уже в ближайшем будущем.

Надо сказать, что если бы удалось обнаружить хотя бы одно ядро антигелия, а ещё лучше - антиуглерода, то это бы стало исключительно серьёзным подтверждением гипотезы о существовании Антимира. Дело в том, что вероятность создать антигелий за счет столкновения протонов космических лучей с веществом межзвёздного газа пренебрежимо мала, меньше 10 -11 . В то же время если существуют антизвёзды, то в них антиводород должен перегорать в антигелий, а затем в антиуглерод.

Как бы то ни было, антиядер пока не зарегистрировано, хотя с большой уверенностью отрицать их присутствие в космических лучах нельзя.

У нас нет надёжных доказательств того, что какие-либо частицы Антимира прилетают к нам на Землю. Пока мы не наблюдали ни одного антиядра; результаты по измерению потока антипротонов не могут расцениваться как доказательство существования Антимира - слишком много для этого требуется предположений, которые нуждаются в объяснении и проверки. Вместе с тем наши экспериментальные результаты не настолько полны и точны, чтобы совсем закрыть возможность существования Антимира.

Однако данные по космическим лучам могут наложить некоторые ограничения на примесь антивещества в нашей Галактике. Считается, что почти все космические лучи генерируются в процессах, которые происходят “внутри” нашей Галактики. Поэтому доля антивещества, возможно существующего в Галактике, не должна превышать доли антипротонов и антиядер в космических лучах. Известно, что в космических лучах отношение числа антипротонов к числу протонов приблизительно равно 10 -4 , а отношение числа ядер антигелия к числу протонов по крайней мере меньше 10 -5 .

Отсюда делается вывод: примесь антивещества в Галактике меньше 10 -4 - 10 -5 . Это означает, что экспериментальные данные по космическим лучам не противоречат наличию, грубо говоря, одной антизвезды на каждые 10 - 100 тысяч обычных звёзд. Подчеркнём, что такая оценка отнюдь не является доказательства существования антизвёзд. Совершенно неясно, как могли такие антизвёзды образоваться в нашей Галактике.

Свет от антизвезды нельзя отличить от видимого света обычных звёзд. Однако процессы термоядерного синтеза, который обеспечивает “горение” звёзд, идут по-разному для звёзд и антизвёзд. Если в первом случае реакции термоядерного синтеза сопровождаются испусканием нейтрино, например в таких процессах:

То в антизвёздах аналогичные реакции приводят к вылету антинейтрино:

С экспериментальной точки зрения более выгодно искать громадные потоки антинейтрино, которые могут возникать на последней стадии эволюции антизвёзд. Дело в том, что когда звезда исчерпывает все свои запасы термоядерного топлива, она начинает катастрофически быстро сжиматься под действием своих гравитационных сил. Если масса звезды составляет одну-три массы Солнца, то это сжатие продолжается до тех пор, пока электроны не “вдавятся” внутрь атомных ядер, из которых состоит звезда. Пи этом происходит превращение протонов ядер в нейтроны и испускаются нейтрино:

Когда звезда почти целиком будет состоять из нейтронов, сжатие прекратится, так как силы гравитационного притяжения будут уравновешены мощными силами отталкивания, которые происходят между нейтронами. Происходит образование так называемой нейтронной звезды - стабильного объекта с исключительно большой плотностью и малыми размерами. Радиус нейтронной звезды с массой Солнца порядка 10 километров (радиус Солнца порядка 700 000 километров).

Ясно, что при коллапсе антизвезды должны образоваться антинейтроны, и процесс образования антинейтронной звезды будет сопровождаться испусканием антинейтрино:

Поток таких антинейтрино должен быть исключительно велик, ведь при коллапсе практически каждый из громадного числа протонов звезды, превращаясь в нейтрон, даёт одно нейтрино: число антинейтрино » число антипротонов в антизвезде @ 10 57 .

Уже существующие нейтринные телескопы могут зарегистрировать возникновение такой колоссальной нейтринной вспышки, если она произошла в нашей Галактике.

Используемая литература:

1. Физическая энциклопедия т.1 М.: 1990.

2. М. Саплжников “Антимир реальность?” М.: 1983