Античастицы часто представляют более мистическими и загадочными, чем они есть на самом деле, и всё это благодаря научной фантастике и другим произведениям, вроде "Ангелов и демонов" Дэна Брауна.
У каждого типа частиц есть античастица. Обычно это отдельная частица, но бывает так, что античастица и частица – это одно и то же. Только частицы, удовлетворяющие определённым условиям (к примеру, электрически нейтральные) могут быть античастицами сами себе. Небольшой список примеров таких частиц – это фотоны, Z-частицы, глюоны и гравитоны. Возможно, три нейтрино. У всех остальных частиц есть отдельные античастицы, обладающие той же массой но противоположным электрическим зарядом. Нейтрон – пример электрически нейтральной частицы, не являющейся античастицей самой себе. Как и у протона, в нейтроне больше кварков, чем антикварков, а у антинейтрона больше антикварков, чем кварков.
Для частиц, отличающихся от античастиц, названия античастиц обычно достаточно очевидны (верхний антикварк, антинейтрино, антитау), за исключением антиэлектрона, который обычно называю�� позитроном.
Чем же так знаменита антиматерия, из-за чего она так загадочно звучит? Всё это благодаря утверждению «материя и антиматерия аннигилируют в чистую энергию». Это утверждение звучит круто, но оно несерьёзно. Оно не совсем неверно, но и не правдиво. Реальность более сложна и не так удивительна.
Часто для простоты физики опускают приставку «анти», когда из контекста она очевидна. Примеры:
• Во многих процессах появляются мюон и антимюон. Физики иногда называют это «мюонной парой».
• W-частица распадается на верхний кварк и нижний антикварк, и часто говорят, что она распадается «на кварки».
Аннигиляции частиц и античастиц посвящают множество материалов – это звучит загадочно, страшновато и фантастически – но это основные процессы, происходящие в сердце физики частиц, и такое их описание приводит к частому недопониманию. Я хочу описать немного основных правил, определяющих, превратятся ли частица и античастица одного типа в другую пару из частицы и античастицы, приближаясь друг к другу. Это не полная история аннигиляции частиц и античастиц, но хорошее начало.
В таком мире, как наш, управляемом квантовой механикой и относительностью Эйнштейна, существует математическая теорема: для каждого типа частиц есть соответствующий им тип античастиц с точно такой же массой. Это не просто теорема – для всех известных частиц античастицы были получены экспериментально, так что и спорить тут не о чем.
Однако некоторые частицы совпадают с античастицами: античастицей для фотона (частицы света) и будет фотон. То же самое будет для Z-частицы и частицы Хиггса. С другой стороны, у электрона с отрицательным (по определению) электрическим зарядом есть античастица, антиэлектрон или позитрон, с положительным зарядом. Почти у всех известных частиц это так: у мюона есть антимюон, у верхнего кварка – верхний антикварк, у W-частицы с положительным зарядом есть античастица W с отрицательным.
Если свести вместе частицу и античастицу, почти всех их свойства взаимно уничтожатся. К примеру, электрический заряд мюона (тяжёлого кузена электрона) плюс электрический заряд антимюона будет равен нулю. Первый отрицательный, второй положительный, но по размеру они равны. Единственное, что не уничтожается – это их массы и энергии. Правда, это утверждение с небольшим подвохом. Масса не «сохраняется» – она может появляться и исчезать, что для физики частиц очень даже хорошо. Единственное, что никуда не денется – это энергия. Энергия сохраняется: с какой вы начали, с такой и закончите.
Допустим, у меня есть коробка из-под обуви, в которой нет ничего, кроме практически покоящихся мюона и антимюона. Тогда энергия внутри коробки равна энергии массы мюона и энергии массы антимюона. [«Практически» – потому что я опускаю электрическое поле между мюоном и антимюоном, но это весьма крохотный эффект, который в нашем случае можно проигнорировать.] Допустим, масса мюона будет M, тогда энергия массы мюона будет M c2, и то же будет верно для антимюона. Импульсы обеих частиц будут нулевыми, поскольку они не двигаются. Общая энергия E и импульс p в коробке изначально
Всё остальное в коробке равно нулю: суммарный электрический заряд, угловой момент, и т.п. Только энергия. И масса – но они связаны друг с другом.
Поскольку почти всё взаимно уничтожается, частица и античастица могут трансформироваться через одно из четырёх известных взаимодействий в другую частицу и её античастицу. К примеру, мюон и антимюон могут превратиться в фотон и второй фотон (помните, фотон сам себе античастица). У обоих фотонов будет энергия – но сколько? Ну, фотоны будут одинаковые, и у них будет одинаковая энергия, и поскольку она сохраняется, то общая конечная энергия будет такой же, как общая начальная:
Обратите внимание на то, какая крутая штука только что произошла: мы начали с массивных частиц, каждая из которых не двигалась, и не обладала энергией движения, зато обладала энергией массы M c2. А закончили с двумя безмассовыми частицами, без энергии массы, но с энергией движения, равной энергией массы мюонов:
M c2. См. рис. 1.
Рис. 1
Также у фотонов будут импульсы. Но импульсы двух фотонов будут разнонаправлены и взаимно уничтожатся, так что итоговый импульс будет нулевой.
Обратите внимание, что энергия сохраняется, импульс сохраняется, а масса – нет. Итоговая масса равна нулю, хотя начальная равна 2 M.
Простая реакция:
не только возможный процесс для аннигиляции частицы и античастицы, но и очень распространённый. Посмотрим на другой вариант для частицы 2.
Рис. 2
Вместо того, чтобы стать двумя фотонами, мюон и антимюон могут превратиться в электрон и позитрон (антиэлектрон), как на рис. 2. У обоих будет одинаковая масса; давайте назовём её m. Масса электрона примерно в 200 раз меньше массы мюона M. Во что превратятся мюон и антимюон, в фотоны или в пару электрон/позитрон, определяет случайность, но с вероятностью, описываемой уравнениями квантовой механики.
Та же логика, что и раньше, приводит нас к тому же заключению. У нас будет симметрия, электрон и позитрон, с одинаковой массой, одинаковой энергией, и благодаря закону сохранения общая энергия должна быть такой же, как начальная энергия мюона.
Ситуация немного другая: мы начали с массивных неподвижных частиц, не имеющих энергии движения и обладающих энергией массы M c2. А закончили с двумя массивными частицами, у каждой из которых энергия массы m c2 и много энергии движения, причём общая энергия электрона равна энергии массы мюона M c2. Опять-таки импульс электрона взаимно уничтожается с импульсом позитрона:
Конечно, взаимно уничтожаются и их электрические заряды. До трансформации заряда в коробке не было, нет его и после. Энергия опять-таки сохраняется, импульс сохраняется, заряд сохраняется, а масса – нет. Начальная масса была 2M, а конечная – 2m.
Рис. 3
Покоящиеся электрон и позитрон могут превратиться в два фотона, точно так же, как мюон и антимюон. Все расчёты можно провести, сведя задачу к случаю с мюонами, просто заменяя везде M на m. Разницы нет (сравните рис. 1 и рис. 3).
Нет и да. Ответ зависит от постановки вопроса:
• Нет, если электрон и позитрон изначально покоятся. Им не хватит энергии, чтобы создать мюон и антимюон, поэтому такой процесс не произойдёт.
• Да, если электрон и позитрон обладают большими энергиями движения и столкнутся очень сильно. Процесс может произойти, пока у них будет достаточно энергии.
Сначала давайте убедимся, что если электрон и позитрон покоятся – не обладают энергией движения – они не смогут превратиться в мюон и антимюон. Логика простая – нам нужно лишь вернуться к предыдущей задаче, в которой мюон и антимюон превращались в электрон и позитрон, и заменить везде мюон на электрон, антимюон на позитрон, M на m. Получится:
Но это невозможно! Мюон обладает энергией массы M c2, плюс положительной энергией движения. M > m. Получается противоречие:
Энергия мюона не может равняться m c2, как того требует сохранение энергии, поскольку M > m. Приходится признать, что этот процесс не может произойти.
Рис. 4
Однако именно то, почему эта попытка не срабатывает, и говорит нам, как можно достичь желаемого. Не нужно рассматривать покоящиеся электрон и позитрон. Давайте их ускорим – почти до скорости света, чтобы их энергии движения стали очень большими, и общие энергии (энергия массы и энергия движения) были ощутимо больше, чем m c2. Для простоты представим, что их начальная энергия стала равна M c2. Тогда общая начальная энергия в коробке будет 2 M c2, и для того, чтобы процесс пошёл, закон сохранения требует:
Что уже не противоречит требованиям предыдущего уравнения
Энергии электрона и позитрона едва хватает, чтобы создать покоящиеся мюон и антимюон (рис. 5).
Рис. 5
Если мы сделаем энергии электрона и позитрона даже больше, то сможем создать мюон и антимюон. Избыток энергии превратится в энергию движения мюона и антимюона, см. рис. 6.
Заметьте, что масса опять не сохраняется, хотя сохраняется энергия. В этом случае масса увеличилась, от 2m до 2M. Это очень важно для физики частиц! Это одна из основных техник, используемых нами для открытия новых частиц. Мы сталкиваем частицу и античастицу с очень большими энергиями движения, надеясь, что они превратятся в тяжёлую частицу, невиданную ранее, вместе с её античастицей.
Рис. 6
Итог
• Неподвижные частица и её античастица могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если начальная частица тяжелее конечной.
• Неподвижные частица и античастица не могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если конечная частица тяжелее начальной.
• Движущиеся друг относительно друга частица и её античастица могут аннигилировать, порождая более тяжёлые частицу и античастицу, если у них достаточно энергии движения.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы равна энергии массы более тяжёлой частицы, тогда получившиеся тяжёлая частица и античастица будут неподвижными.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы больше энергии массы более тяжёлой частицы, тогда излишки энергии превратятся в энергию движения более тяжёлых частицы и античастицы.
У каждого типа частиц есть античастица. Обычно это отдельная частица, но бывает так, что античастица и частица – это одно и то же. Только частицы, удовлетворяющие определённым условиям (к примеру, электрически нейтральные) могут быть античастицами сами себе. Небольшой список примеров таких частиц – это фотоны, Z-частицы, глюоны и гравитоны. Возможно, три нейтрино. У всех остальных частиц есть отдельные античастицы, обладающие той же массой но противоположным электрическим зарядом. Нейтрон – пример электрически нейтральной частицы, не являющейся античастицей самой себе. Как и у протона, в нейтроне больше кварков, чем антикварков, а у антинейтрона больше антикварков, чем кварков.
Для частиц, отличающихся от античастиц, названия античастиц обычно достаточно очевидны (верхний антикварк, антинейтрино, антитау), за исключением антиэлектрона, который обычно называю�� позитроном.
Чем же так знаменита антиматерия, из-за чего она так загадочно звучит? Всё это благодаря утверждению «материя и антиматерия аннигилируют в чистую энергию». Это утверждение звучит круто, но оно несерьёзно. Оно не совсем неверно, но и не правдиво. Реальность более сложна и не так удивительна.
Часто для простоты физики опускают приставку «анти», когда из контекста она очевидна. Примеры:
• Во многих процессах появляются мюон и антимюон. Физики иногда называют это «мюонной парой».
• W-частица распадается на верхний кварк и нижний антикварк, и часто говорят, что она распадается «на кварки».
Аннигиляция частиц и античастиц
Аннигиляции частиц и античастиц посвящают множество материалов – это звучит загадочно, страшновато и фантастически – но это основные процессы, происходящие в сердце физики частиц, и такое их описание приводит к частому недопониманию. Я хочу описать немного основных правил, определяющих, превратятся ли частица и античастица одного типа в другую пару из частицы и античастицы, приближаясь друг к другу. Это не полная история аннигиляции частиц и античастиц, но хорошее начало.
В таком мире, как наш, управляемом квантовой механикой и относительностью Эйнштейна, существует математическая теорема: для каждого типа частиц есть соответствующий им тип античастиц с точно такой же массой. Это не просто теорема – для всех известных частиц античастицы были получены экспериментально, так что и спорить тут не о чем.
Однако некоторые частицы совпадают с античастицами: античастицей для фотона (частицы света) и будет фотон. То же самое будет для Z-частицы и частицы Хиггса. С другой стороны, у электрона с отрицательным (по определению) электрическим зарядом есть античастица, антиэлектрон или позитрон, с положительным зарядом. Почти у всех известных частиц это так: у мюона есть антимюон, у верхнего кварка – верхний антикварк, у W-частицы с положительным зарядом есть античастица W с отрицательным.
Если свести вместе частицу и античастицу, почти всех их свойства взаимно уничтожатся. К примеру, электрический заряд мюона (тяжёлого кузена электрона) плюс электрический заряд антимюона будет равен нулю. Первый отрицательный, второй положительный, но по размеру они равны. Единственное, что не уничтожается – это их массы и энергии. Правда, это утверждение с небольшим подвохом. Масса не «сохраняется» – она может появляться и исчезать, что для физики частиц очень даже хорошо. Единственное, что никуда не денется – это энергия. Энергия сохраняется: с какой вы начали, с такой и закончите.
1. Мюон и антимюон превращаются в два фотона
Допустим, у меня есть коробка из-под обуви, в которой нет ничего, кроме практически покоящихся мюона и антимюона. Тогда энергия внутри коробки равна энергии массы мюона и энергии массы антимюона. [«Практически» – потому что я опускаю электрическое поле между мюоном и антимюоном, но это весьма крохотный эффект, который в нашем случае можно проигнорировать.] Допустим, масса мюона будет M, тогда энергия массы мюона будет M c2, и то же будет верно для антимюона. Импульсы обеих частиц будут нулевыми, поскольку они не двигаются. Общая энергия E и импульс p в коробке изначально
Всё остальное в коробке равно нулю: суммарный электрический заряд, угловой момент, и т.п. Только энергия. И масса – но они связаны друг с другом.
Поскольку почти всё взаимно уничтожается, частица и античастица могут трансформироваться через одно из четырёх известных взаимодействий в другую частицу и её античастицу. К примеру, мюон и антимюон могут превратиться в фотон и второй фотон (помните, фотон сам себе античастица). У обоих фотонов будет энергия – но сколько? Ну, фотоны будут одинаковые, и у них будет одинаковая энергия, и поскольку она сохраняется, то общая конечная энергия будет такой же, как общая начальная:
Обратите внимание на то, какая крутая штука только что произошла: мы начали с массивных частиц, каждая из которых не двигалась, и не обладала энергией движения, зато обладала энергией массы M c2. А закончили с двумя безмассовыми частицами, без энергии массы, но с энергией движения, равной энергией массы мюонов:
M c2. См. рис. 1.
Рис. 1
Также у фотонов будут импульсы. Но импульсы двух фотонов будут разнонаправлены и взаимно уничтожатся, так что итоговый импульс будет нулевой.
Обратите внимание, что энергия сохраняется, импульс сохраняется, а масса – нет. Итоговая масса равна нулю, хотя начальная равна 2 M.
2. Мюон и антимюон превращаются в электрон и антиэлектрон
Простая реакция:
не только возможный процесс для аннигиляции частицы и античастицы, но и очень распространённый. Посмотрим на другой вариант для частицы 2.
Рис. 2
Вместо того, чтобы стать двумя фотонами, мюон и антимюон могут превратиться в электрон и позитрон (антиэлектрон), как на рис. 2. У обоих будет одинаковая масса; давайте назовём её m. Масса электрона примерно в 200 раз меньше массы мюона M. Во что превратятся мюон и антимюон, в фотоны или в пару электрон/позитрон, определяет случайность, но с вероятностью, описываемой уравнениями квантовой механики.
Та же логика, что и раньше, приводит нас к тому же заключению. У нас будет симметрия, электрон и позитрон, с одинаковой массой, одинаковой энергией, и благодаря закону сохранения общая энергия должна быть такой же, как начальная энергия мюона.
Ситуация немного другая: мы начали с массивных неподвижных частиц, не имеющих энергии движения и обладающих энергией массы M c2. А закончили с двумя массивными частицами, у каждой из которых энергия массы m c2 и много энергии движения, причём общая энергия электрона равна энергии массы мюона M c2. Опять-таки импульс электрона взаимно уничтожается с импульсом позитрона:
Конечно, взаимно уничтожаются и их электрические заряды. До трансформации заряда в коробке не было, нет его и после. Энергия опять-таки сохраняется, импульс сохраняется, заряд сохраняется, а масса – нет. Начальная масса была 2M, а конечная – 2m.
Рис. 3
3. Электрон и антиэлектрон превращаются в два фотона
Покоящиеся электрон и позитрон могут превратиться в два фотона, точно так же, как мюон и антимюон. Все расчёты можно провести, сведя задачу к случаю с мюонами, просто заменяя везде M на m. Разницы нет (сравните рис. 1 и рис. 3).
4. Могут ли электрон и антиэлектрон превратиться в мюон и антимюон?
Нет и да. Ответ зависит от постановки вопроса:
• Нет, если электрон и позитрон изначально покоятся. Им не хватит энергии, чтобы создать мюон и антимюон, поэтому такой процесс не произойдёт.
• Да, если электрон и позитрон обладают большими энергиями движения и столкнутся очень сильно. Процесс может произойти, пока у них будет достаточно энергии.
Сначала давайте убедимся, что если электрон и позитрон покоятся – не обладают энергией движения – они не смогут превратиться в мюон и антимюон. Логика простая – нам нужно лишь вернуться к предыдущей задаче, в которой мюон и антимюон превращались в электрон и позитрон, и заменить везде мюон на электрон, антимюон на позитрон, M на m. Получится:
Но это невозможно! Мюон обладает энергией массы M c2, плюс положительной энергией движения. M > m. Получается противоречие:
Энергия мюона не может равняться m c2, как того требует сохранение энергии, поскольку M > m. Приходится признать, что этот процесс не может произойти.
Рис. 4
Однако именно то, почему эта попытка не срабатывает, и говорит нам, как можно достичь желаемого. Не нужно рассматривать покоящиеся электрон и позитрон. Давайте их ускорим – почти до скорости света, чтобы их энергии движения стали очень большими, и общие энергии (энергия массы и энергия движения) были ощутимо больше, чем m c2. Для простоты представим, что их начальная энергия стала равна M c2. Тогда общая начальная энергия в коробке будет 2 M c2, и для того, чтобы процесс пошёл, закон сохранения требует:
Что уже не противоречит требованиям предыдущего уравнения
Энергии электрона и позитрона едва хватает, чтобы создать покоящиеся мюон и антимюон (рис. 5).
Рис. 5
Если мы сделаем энергии электрона и позитрона даже больше, то сможем создать мюон и антимюон. Избыток энергии превратится в энергию движения мюона и антимюона, см. рис. 6.
Заметьте, что масса опять не сохраняется, хотя сохраняется энергия. В этом случае масса увеличилась, от 2m до 2M. Это очень важно для физики частиц! Это одна из основных техник, используемых нами для открытия новых частиц. Мы сталкиваем частицу и античастицу с очень большими энергиями движения, надеясь, что они превратятся в тяжёлую частицу, невиданную ранее, вместе с её античастицей.
Рис. 6
Итог
• Неподвижные частица и её античастица могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если начальная частица тяжелее конечной.
• Неподвижные частица и античастица не могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если конечная частица тяжелее начальной.
• Движущиеся друг относительно друга частица и её античастица могут аннигилировать, порождая более тяжёлые частицу и античастицу, если у них достаточно энергии движения.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы равна энергии массы более тяжёлой частицы, тогда получившиеся тяжёлая частица и античастица будут неподвижными.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы больше энергии массы более тяжёлой частицы, тогда излишки энергии превратятся в энергию движения более тяжёлых частицы и античастицы.
