Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Было обнаружено, что при взаимной аннигиляции электронов и позитронов выделяются гамма-лучи, энергия которых в точности соответствует расчетной. Это — одно из самых красивых доказательств верности специальной теории относительности Эйнштейна, частью которой является формула e = mc2.

Должен существовать и обратный процесс. Энергия должна каким-то образом переходить в массу. Энергия не может образовать электрон или позитрон, так как неоткуда взяться заряду. Нельзя создать и лишь один положительный или отрицательный заряд.

Однако электрон и позитрон могут образоваться одновременно. Общий заряд такой электронно-позитронной пары все равно остается равным нулю. Для этого необходим гамма-луч мощностью по меньшей мере 1,02 Мэв, а в случае использования более мощного луча избыток энергии переходит в кинетическую энергию частиц — все по Эйнштейну.

Быстрые позитроны образуются благодаря большому избытку энергии космических лучей. Именно эти частицы и являлись первыми античастицами, открытыми Андерсоном.

Когда Дирак разработал теоретическое доказательство, вылившееся в концепцию античастиц, он посчитал, что противоположной электрону частицей является протон. Однако его предположение не подтвердилось, так как электрон и протон противоположны друг другу разве только что зарядом. Масса протона, например, в 1836 раз больше массы электрона. (Почему электрон легче и почему именно в 1836 раз? Эти два вопроса являются одними из самых интересных загадок ядерной физики.)

Электрон и протон притягиваются друг к другу, как и любые другие объекты с разноименными электрическими зарядами, но они не аннигилируют. В крайнем случае протон захватывает электрон и тот занимает самый нижний электронный уровень, то есть приближается к протону на минимальное расстояние. (В случае протонно-электронной аннигиляции такого соединения просто бы не существовало.)

Электрон и позитрон, которые могут аннигилировать друг друга, также могут захватывать друг друга на какое-то время без аннигиляции. Такой атом, состоящий из движущихся по орбите друг за другом вокруг общего центра притяжения электрона и позитрона (если рассматривать как обычную частицу, не принимая во внимание проявления волновых свойств), называется позитронием.

Существуют два вида позитрониев: ортопозитроний, частицы которого имеют одноименный спин, и парапозитроний, частицы которого имеют разноименный спин. Ортопозитроний существует в среднем одну десятую долю микросекунды, после чего происходит аннигиляция, а парапозитроний и того меньше — всего одну десятитысячную микросекунды. После аннигиляции ортопозитрония образуется три протона, а после аннигиляции парапозитрония — два. В 1951 году австрийскому физику Мартину Дойчу (1917–2002) удалось обнаружить позитронии по испускаемым ими гамма-лучам.

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.