Античастицы

Элементарные частицы, имеющие те же значения масс, спинов и других физических характеристик, что и их "двойники" - "частицы", но отличающиеся от них знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, например знаком электрического заряда).

Существование античастиц было предсказано П.А.М.Дираком (P.A.M.Dirac). Полученное им в 1928 квантовое релятивистское уравнение движения электрона (см. Дирака уравнение) с необходимостью содержало решения с отрицательными энергиями. В дальнейшем было показано, что исчезновение электрона с отрицательной энергией следует интерпретировать как возникновение частицы (той же массы) с положительной энергией и с положительным электрическим зарядом, т.е. античастицы 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 античастицы. В 1936 в космических лучах были открыты мюон ( и его античастица , а в 1947 - и -мезоны, составляющие пару частица-античастица; в 1955 в опытах на ускорителе зарегистрирован антипротон, в 1956 - антинейтрон и т. д. К настоящему времени наблюдались античастицы практически всех известных частиц, и не вызывает сомнения, что античастицы имеются у всех частиц.

Существование и свойства античастиц определяются в соответствии с фундаментальным принципом квантовой теории поля - ее инвариантностью относительно CPT-преобразования (см. Теорема CPT). Из CPT-теоремы следует, что масса, спин и время жизни частицы и ее античастицы должны быть одинаковыми. В частности, стабильным (относительно распада) частицам соответствуют стабильные античастицы (однако в веществе сколько-нибудь длительное существование их невозможно из-за аннигиляции с частицами вещества). Состояния частиц и их античастиц связаны операцией зарядового сопряжения. Поэтому частица и античастица имеют противоположные знаки электрических зарядов (и магнитных моментов), имеют одинаковый изотопический спин, но отличаются знаком его третьей проекции, имеют одинаковые по величине, но противоположные по знаку странность, очарование, красоту (см. Квантовые числа) и т.д. Преобразование комбинированной инверсии (CP) связывает спиральные состояния частицы с состояниями античастиц противоположной спиральности. Частицам и их античастицам приписываются одинаковые по величине, но противоположные по знаку барионное и лептонное числа.

Вследствие инвариантности относительно зарядового сопряжения (C-инвариантности) сильного и электромагнитного взаимодействий связанные соответствующими силами составные объекты из частиц (атомные ядра, атомы) и из античастиц (ядра и атомы антивещества) должны иметь идентичную структуру. По той же причине совпадает структура адронов и их античастиц, причем 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 античастиц отличаются заменой составляющих кварка и антикварка на соответствующие антикварк и кварк. Для истинно нейтральных частиц состояния частицы и античастицы совпадают. Такие частицы обладают определенными зарядовой четностью (C-четностью) и CP-четностью. Все известные истинно нейтральные частицы - бозоны (например, , , -мезоны со спином 0, , , , , - 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 античастицами, что проявляется в различии некоторых дифференциальных характеристик их слабых распадов.

Если какое-либо из квантовых чисел электрически нейтральной частицы не сохраняется строго, то возможны переходы (осцилляции) между состояниями частицы и ее античастицы. В этом случае состояния с определенным несохраняющимся квантовым числом не являются собственными состояниями оператора энергии-импульса, а представляют собой суперпозиции истинно нейтральных состояний с определенными значениями массы. Подобное явление может реализовываться в системах и т. п.

Само определение того, что называть "частицей" в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако при данном выборе "частицы" ее античастицы 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 различных 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 заряженные лептоны, что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино. Для бозонов понятие "частица" может фиксироваться определением, например, гиперзаряда.

Рождение античастиц происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-античастица (см. Рождение пар). В лабораторных условиях античастицы рождаются во взаимодействиях частиц на ускорителях; хранение образующихся античастиц осуществляют в накопительных кольцах при высоком вакууме. В естественных условиях античастицы рождаются при взаимодействии первичных космических лучей с веществом, например, атмосферы Земли, а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер галактик. Теоретическая астрофизика рассматривает образование античастиц (позитронов, антинуклонов) при аккреции вещества на черные дыры. В рамках современной космологии рассматривают рождение античастиц при испарении первичных черных дыр малой массы. При температуpax, превышающих энергию покоя частиц данного сорта (использована система единиц ), пары частица-античастица присутствуют в равновесии с веществом и электромагнитным излучением. Такие условия могут реализовываться для электрон-позитронных пар в горячих ядрах массивных звезд. Согласно теории горячей Вселенной, на очень ранних стадиях расширения Вселенной в равновесии с веществом и излучением находились пары частица-античастица всех сортов. В соответствии с моделями великого объединения эффекты нарушения С- и CP-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 античастиц. Это дает физическое обоснование отсутствию наблюдательных данных о существовании во Вселенной объектов из античастиц.