Antichasticy

Elementarnye chasticy, imeyushie te zhe znacheniya mass, spinov i drugih fizicheskih harakteristik, chto i ih "dvoiniki" - "chasticy", no otlichayushiesya ot nih znakami nekotoryh harakteristik vzaimodeistviya (zaryadov, naprimer znakom elektricheskogo zaryada).

Sushestvovanie antichastic bylo predskazano P.A.M.Dirakom (P.A.M.Dirac). Poluchennoe im v 1928 kvantovoe relyativistskoe uravnenie dvizheniya elektrona (sm. Diraka uravnenie) s neobhodimost'yu soderzhalo resheniya s otricatel'nymi energiyami. V dal'neishem bylo pokazano, chto ischeznovenie elektrona s otricatel'noi energiei sleduet interpretirovat' kak vozniknovenie chasticy (toi zhe massy) s polozhitel'noi energiei i s polozhitel'nym elektricheskim zaryadom, t.e. antichasticy po otnosheniyu k elektronu. Eta chastica - pozitron - otkryta v 1932.

V posleduyushih eksperimentah bylo ustanovleno, chto ne tol'ko elektron, no i vse ostal'nye chasticy imeyut svoi antichasticy. V 1936 v kosmicheskih luchah byli otkryty myuon ( i ego antichastica , a v 1947 - i -mezony, sostavlyayushie paru chastica-antichastica; v 1955 v opytah na uskoritele zaregistrirovan antiproton, v 1956 - antineitron i t. d. K nastoyashemu vremeni nablyudalis' antichasticy prakticheski vseh izvestnyh chastic, i ne vyzyvaet somneniya, chto antichasticy imeyutsya u vseh chastic.

Sushestvovanie i svoistva antichastic opredelyayutsya v sootvetstvii s fundamental'nym principom kvantovoi teorii polya - ee invariantnost'yu otnositel'no CPT-preobrazovaniya (sm. Teorema CPT). Iz CPT-teoremy sleduet, chto massa, spin i vremya zhizni chasticy i ee antichasticy dolzhny byt' odinakovymi. V chastnosti, stabil'nym (otnositel'no raspada) chasticam sootvetstvuyut stabil'nye antichasticy (odnako v veshestve skol'ko-nibud' dlitel'noe sushestvovanie ih nevozmozhno iz-za annigilyacii s chasticami veshestva). Sostoyaniya chastic i ih antichastic svyazany operaciei zaryadovogo sopryazheniya. Poetomu chastica i antichastica imeyut protivopolozhnye znaki elektricheskih zaryadov (i magnitnyh momentov), imeyut odinakovyi izotopicheskii spin, no otlichayutsya znakom ego tret'ei proekcii, imeyut odinakovye po velichine, no protivopolozhnye po znaku strannost', ocharovanie, krasotu (sm. Kvantovye chisla) i t.d. Preobrazovanie kombinirovannoi inversii (CP) svyazyvaet spiral'nye sostoyaniya chasticy s sostoyaniyami antichastic protivopolozhnoi spiral'nosti. Chasticam i ih antichasticam pripisyvayutsya odinakovye po velichine, no protivopolozhnye po znaku barionnoe i leptonnoe chisla.

Vsledstvie invariantnosti otnositel'no zaryadovogo sopryazheniya (C-invariantnosti) sil'nogo i elektromagnitnogo vzaimodeistvii svyazannye sootvetstvuyushimi silami sostavnye ob'ekty iz chastic (atomnye yadra, atomy) i iz antichastic (yadra i atomy antiveshestva) dolzhny imet' identichnuyu strukturu. Po toi zhe prichine sovpadaet struktura adronov i ih antichastic, prichem v ramkah modeli kvarkov sostoyaniya antibarionov opisyvayutsya tochno tak zhe, kak sostoyaniya barionov s zamenoi sostavlyayushih kvarkov na sootvetstvuyushie im antikvarki. Sostoyaniya mezonov i ih antichastic otlichayutsya zamenoi sostavlyayushih kvarka i antikvarka na sootvetstvuyushie antikvark i kvark. Dlya istinno neitral'nyh chastic sostoyaniya chasticy i antichasticy sovpadayut. Takie chasticy obladayut opredelennymi zaryadovoi chetnost'yu (C-chetnost'yu) i CP-chetnost'yu. Vse izvestnye istinno neitral'nye chasticy - bozony (naprimer, , , -mezony so spinom 0, , , , , - so spinom 1), odnako v principe mogut sushestvovat' i istinno neitral'nye fermiony (t. n. maioranovskie chasticy).

Slaboe vzaimodeistvie ne invariantno otnositel'no zaryadovogo sopryazheniya i, sledovatel'no, narushaet simmetriyu mezhdu chasticami i antichasticami, chto proyavlyaetsya v razlichii nekotoryh differencial'nyh harakteristik ih slabyh raspadov.

Esli kakoe-libo iz kvantovyh chisel elektricheski neitral'noi chasticy ne sohranyaetsya strogo, to vozmozhny perehody (oscillyacii) mezhdu sostoyaniyami chasticy i ee antichasticy. V etom sluchae sostoyaniya s opredelennym nesohranyayushimsya kvantovym chislom ne yavlyayutsya sobstvennymi sostoyaniyami operatora energii-impul'sa, a predstavlyayut soboi superpozicii istinno neitral'nyh sostoyanii s opredelennymi znacheniyami massy. Podobnoe yavlenie mozhet realizovyvat'sya v sistemah i t. p.

Samo opredelenie togo, chto nazyvat' "chasticei" v pare chastica-antichastica, v znachitel'noi mere uslovno. Odnako pri dannom vybore "chasticy" ee antichasticy opredelyaetsya odnoznachno. Sohranenie barionnogo chisla v processah slabogo vzaimodeistviya pozvolyaet po cepochke raspadov barionov opredelit' "chasticu" v lyuboi pare barion-antibarion. Vybor elektrona kak "chasticy" v pare elektron-pozitron fiksiruet (vsledstvie sohraneniya leptonnogo chisla v processah slabogo vzaimodeistviya) opredelenie sostoyaniya "chasticy" v pare elektronnyh neitrino-antineitrino. Perehody mezhdu leptonami razlichnyh pokolenii (tipa ) ne nablyudalis', tak chto opredelenie "chasticy" v kazhdom pokolenii leptonov, voobshe govorya, mozhet byt' proizvedeno nezavisimo. Obychno po analogii s elektronom "chasticami" nazyvayut otricatel'no zaryazhennye leptony, chto pri sohranenii leptonnogo chisla opredelyaet sootvetstvuyushie neitrino i antineitrino. Dlya bozonov ponyatie "chastica" mozhet fiksirovat'sya opredeleniem, naprimer, giperzaryada.

Rozhdenie antichastic proishodit v stolknoveniyah chastic veshestva, razognannyh do energii, prevoshodyashih porog rozhdeniya pary chastica-antichastica (sm. Rozhdenie par). V laboratornyh usloviyah antichasticy rozhdayutsya vo vzaimodeistviyah chastic na uskoritelyah; hranenie obrazuyushihsya antichastic osushestvlyayut v nakopitel'nyh kol'cah pri vysokom vakuume. V estestvennyh usloviyah antichasticy rozhdayutsya pri vzaimodeistvii pervichnyh kosmicheskih luchei s veshestvom, naprimer, atmosfery Zemli, a takzhe dolzhny rozhdat'sya v okrestnostyah pul'sarov i aktivnyh yader galaktik. Teoreticheskaya astrofizika rassmatrivaet obrazovanie antichastic (pozitronov, antinuklonov) pri akkrecii veshestva na chernye dyry. V ramkah sovremennoi kosmologii rassmatrivayut rozhdenie antichastic pri isparenii pervichnyh chernyh dyr maloi massy. Pri temperatupax, prevyshayushih energiyu pokoya chastic dannogo sorta (ispol'zovana sistema edinic ), pary chastica-antichastica prisutstvuyut v ravnovesii s veshestvom i elektromagnitnym izlucheniem. Takie usloviya mogut realizovyvat'sya dlya elektron-pozitronnyh par v goryachih yadrah massivnyh zvezd. Soglasno teorii goryachei Vselennoi, na ochen' rannih stadiyah rasshireniya Vselennoi v ravnovesii s veshestvom i izlucheniem nahodilis' pary chastica-antichastica vseh sortov. V sootvetstvii s modelyami velikogo ob'edineniya effekty narusheniya S- i CP-invariantnosti v neravnovesnyh processah s nesohraneniem barionnogo chisla mogli privesti v ochen' rannei Vselennoi k barionnoi asimmetrii Vselennoi dazhe v usloviyah strogogo nachal'nogo ravenstva chisla chastic i antichastic. Eto daet fizicheskoe obosnovanie otsutstviyu nablyudatel'nyh dannyh o sushestvovanii vo Vselennoi ob'ektov iz antichastic.