Античастицы: история и устройство

Физик Николай Никитин о том, что такое античастицы, почему их открытие изменило физику частиц и какое место они занимают в современной науке
29.08.2019


Марина Ветчинникова

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 (С), 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 (С) 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.

Источник: ПостНаука

Читайте другие наши материалы