Частицы и античастицы. Антивещество

Впервые гипотеза о существовании античастиц была высказана в 1928 г. П. Дираком, который на основе релятивистского волнового уравнения предсказал существование антиэлектрона (позитрона). Спустя 4 года К. Андерсон обнаружил позитрон в составе космического излучения. Дальнейшие выводы релятивистской квантовой теории привели к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица. Эксперименты показывают, что за немногим исключением истинно нейтральных частиц (фотон, p⁰-мезон и h-мезон) действительно каждой частице соответствуют античастицы. Экспериментально доказано существование антипротона, антинейтрона, антинейтрино и т.д. Каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей.

Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды, одинаковые спины и все квантовые числа, приписываемые частицам для описания их взаимодействий (лептонный, барионный заряды, странность, очарование и т.д.). Главное, что отличает частицу от античастицы, заключается в их способности к взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны. Так например, аннигиляция пары электрон-позитрон приводит к образованию двух фотонов: _-1е +₊₁е®2g.

Частица и античастица возникают парами. Так, рождение электронно-позитронных пар происходит при прохождении g-фотонов через вещество. Этот процесс является одним из основных причин поглощения g-лучей веществом.

Фундаментальное значение для понимания строения материи имело открытие антиядер, позволившее доказать возможность существования антивещества, построенного из античастиц. Первое антиядро – антидейтрон (связанное состояние антипротона и антинейтрона) было получено в 1965 г. группой американских физиков под руководством Л. Лидермана. Позднее на Серпуховском ускорителе были синтезированы ядра антигелия (1970) и антитрития (1973).

Для устойчивого состояния антивещества оно должно быть изолировано от вещества, т.к. аннигиляция частиц и античастиц не позволяет античастицам долгое время существовать среди частиц. Если бы вблизи известной нам части Вселенной существовало скопление антивещества, то должно было бы существовать мощное аннигиляционное излучение (колоссальные взрывы с выделением огромных количеств энергии). Однако ничего подобного в настоящее время пока не обнаружено. В разделе «Современные космологические концепции» мы будем говорить о реликтовом излучении, связанном с процессами аннигиляции вещества и антивещества на ранних этапах развития Вселенной.