Антибарион

В теории Дирака нет ничего из того, что можно было бы применить к электрону, но ее нельзя применить и к протону. Если у электрона есть античастица, то античастица должна быть и у протона. Антипротон взаимно аннигилируется с протоном, в результате чего, как и в случае с позитроном и электроном, образуются пары и тройки фотонов.

Однако так как масса протона в 1836 раз превышает массу электрона, а масса антипротона в 1836 раз превышает массу позитрона, энергия, выделяемая в результате аннигиляции протона и антипротона, должна быть в 1836 раз больше энергии, выделяемой при аннигиляции электрона и позитрона. Общий выход энергии составляет 1,02 ? 1836, то есть 1872 Мэв, или 1,872 млрд. эв. Как видите, мы в диапазоне миллиардов электрон вольт.

Для обратного процесса, образования протонно-антипротонной пары, требуется 1,872 млрд. эв энергии. В действительности энергии требуется намного больше, так как пара образуется за счет столкновения двух частиц на очень большой скорости, а избыток энергии повышает шансы образования антипротона. По подсчетам физиков, для успешного образования протонно-антипротонной пары требуется 6 млрд. эв энергии.

Такой энергией обладают самые быстрые из космических частиц. Однако такие частицы встречаются крайне редко, поэтому сидеть и ждать их с детектором в надежде, что они тут же появятся, довольно глупо.

По этой причине антипротоны были обнаружены лишь тогда, когда физикам удалось построить ускорители частиц, способные разгонять частицы до миллиардов электронвольт. После установки и настройки детекторов ускоренные частицы можно направлять в цель. В Калифорнийском университете для этих целей был использован синхрофазотрон, называвшийся «Беватрон».

Вылетающие из «Беватрона» быстрые частицы ударялись о медную плиту, где в результате столкновения образовывалось огромное количество частиц. Необходимо было выделить из всех этих обломков антипротоны. Для этой цели осколки подвергали воздействию магнитного поля, в результате чего отфильтровывались отрицательно заряженные частицы. Среди них антипротон является самой тяжелой и самой медленной частицей. Поток осколков направляли на расположенные на расстоянии 12,5 м два сцинтилляционных счетчика. Согласно расчетам, антипротон должен пройти это расстояние за 0,051 миллисекунды,

В конце концов Эмилио Сегре (первооткрывателю технеция, к этому времени эмигрировавшему в США) и американскому физику Оуэну Чемберлену удалось обнаружить такую частицу в 1956 году.

Антипротон, как и ожидалось, является близнецом протона, равным по массе, но с противоположным зарядом. Протон обладает положительным зарядом, а антипротон — отрицательным. Протон и антипротон можно обозначить как, ₁p¹ и _-1p¹, или как p⁺ и p^–, или как p и p^–.

Протон является стабильной частицей и сам по себе может существовать вечно. Его стабильность не подчиняется законам сохранения. Может ли протон распасться до позитрона с энергией в 0,51 Мэв, а оставшуюся большую часть энергии испустить в виде фотонов? Сохранится ли его заряд?

На практике такого не происходит, поэтому мы вполне можем ввести новый закон сохранения — закон сохранения барионного числа. Согласно этому закону общее число бирионов должно оставаться неизменным в любом случае. Основываясь на изученных субатомных явлениях, физики уверены в справедливости этого закона.

Если протон распадается до позитрона, количество барионов уменьшается с 1 до 0. Это противоречит закону сохранения барионного числа, поэтому протон и не распадается до позитрона. На самом деле протон является самой легкой частицей среди барионов, поэтому он не может распадаться. Его стабильность является отражением закона сохранения барионного числа.

Аналогично антипротон является стабильной частицей и не может распадаться, например до электрона. Антипротон является самым легким из всех антибарионов, а закон сохранения барионного числа применим и к антибарионам.

Во Вселенной при столкновении антипротона с протоном (которых намного больше) тут же происходит аннигиляция. Общий заряд протонно-антипротонной пары равен нулю, поэтому аннигиляция происходит без нарушения закона сохранения электрического заряда. Кроме того, считается, что барионное число антипротона равно –1, а протона +1. Значит, барионное число протонно-антипротонной пары равно 0, и аннигиляция происходит без нарушения закона сохранения барионного числа.

Выделяемая в процессе аннигиляции протона и антипротона энергия может принимать участие в образовании не только протонов, но и других частиц. Если протон и антипротон проходят очень близко, но не попадают друг в друга, аннигилируется только их заряд, а масса остается. Можно предположить, что в этом случае образуется одна незаряженная частица. Но одна частица образовываться не может, так как барионное число протонно-антипротонной пары равно 0, а в случае образования, скажем, нейтрона барионное число будет равно 1, что противоречит закону сохранения барионного числа. На самом деле образуются две частицы — нейтрон и антинейтрон. Барионное число антинейтрона равно –1, нейтрона +1, поэтому их общее барионное число равно 0, то есть закон сохранения барионного числа соблюдается. Такой процесс «полуаннигиляиии» был открыт в 1956 году, вскоре после обнаружения антипротона, послужившего толчком к открытию антинейтрона.

Вполне справедлив вопрос: «А как же различать нейтрон и антинейтрон?» Элементы других пар «частица — античастица» отличаются друг от друга полюсом электрического заряда. У электрона заряд отрицательный, у позитрона — положительный. У протона — положительный, у антипротона — отрицательный.

Впрочем, у всех обладающих спином частиц есть еще одно различие. Любую обладающую спином частицу можно представить в виде крошечной сферы, вращающейся вокруг своей оси и имеющей два полюса. Если смотреть на частицу с одного полюса (назовем его первым), то она будет вращаться по часовой стрелке, а если с другого (назовем его вторым) — то против. Давайте считать, что мы всегда смотрим на частицу со второго полюса.

Вращение частицы приводит к образованию магнитного поля и двух магнитных полюсов — северного и южного. Если мы рассматриваем со второго полюса протон, то его северный магнитный полюс окажется сверху, а южный — снизу. Если же мы рассматриваем со второго полюса антипротон, то сверху окажется его южный, а не северный полюс. Другими словами, если направления спинов частицы и античастицы совпадают, то направление их магнитных полей обратно. То же относится к электрону и позитрону.

Хотя у нейтрона и нет электрического заряда, у него есть магнитное поле, так как, хоть заряд нейтрона и равен 0, отдельные его участки все-таки обладают электрическим зарядом. В 1951 году американский физик Роберт Хофстедтер (1915–1990) начал серию экспериментов по исследованию отдельных нуклонов с помощью пучков быстрых электронов. Ему удалось обнаружить, что и протоны и нейтроны состоят из обладающей электрическим зарядом оболочки и различаются между собой лишь общим зарядом.

Нейтрон и антинейтрон отличаются друг от друга противоположным направлением магнитного поля. Так как у нейтрона и антинейтрона нет электрического заряда, то символ ₀n¹ применим и к той и к другой частице. Поэтому обычно их обозначают как пил.

Период полураспада нейтрона равен 1013 секундам. Нейтрон распадается на протон и электрон, то есть барион превращается в более легкий барион, при этом барионное число остается неизменным. Общий заряд также остается неизменным и равняется 0. Помимо этого образуется еще и электрон, но тут есть одна тонкость, о которой мы поговорим в следующей главе, где подведем под закон сохранения и электрон.

Точно так же период полураспада антинейтрона равен 1013, и он распадается на антипротон и позитрон, сохраняя барионное число (–1) и электрический заряд (0). Графически этот процесс выглядит так:

n ? р + е (Уравнение 13.5)

и

? ? р^- + ?. (Уравнение 13.6)