Античастицы

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный технический университет

им. Р.Е.Алексеева»

 

 

Кафедра: «Физика и техника оптической связи»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по физике

по теме: «Античастицы»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. 14-ХТ-2

Таранец Р.В.

 

Проверил

преподаватель:

Иванов А.Е.

 

 

 

 

г. Нижний Новгород

2014 год

Содержание:

1. Введение                                                                                       стр. 3
2. История открытия                                                                        стр. 4
3. Систематизация                                                                           стр. 5
4. Свойство античастиц:

4.1.  Рождение пар                                                                       стр. 6

     4.2.  Аннигиляция                                                                        стр. 9

4.3.  Осцилляции                                                                          стр. 11

4.4.  Истинно нейтральные частицы                                          стр. 12

5. Антивещество                                                                              стр. 15
6. Список использованной литературы                                         стр. 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

          Античастица — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками всех других характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа).

          Определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако при данном выборе «частицы» её античастица 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. История открытия

          Существование  античастиц было впервые предсказано  в 1930 году английским физиком  П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

          В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Систематизация

С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них - частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e - ,  m -, t - , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа - это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (g, Z0), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W +, W -) также образуют  пары частица - античастица. Все барионы, состоящие из трех кварков, должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав ( ), антинейтрон — ( ). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: p - - мезон состоит из кварков   ( ), а p + мезон состоит из кварков ( ). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки (например, p0,r,h- мезоны, куда входят пары кварков , и ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Свойство античастиц

4.1. Рождение пар

          Рождение пар – в физике элементарных частиц обратный аннигиляции  процесс, в котором возникают пары частица-античастица (реальные или виртуальные). Для появления реальной пары частиц закон сохранения энергии требует, чтобы энергия, затраченная в этом процессе, превышала удвоенную массу частицы:   Минимальная энергия    необходимая для рождения пары данного типа, называется порогом рождения пар. Кроме того, для рождения реальной пары необходимо выполнение других законов сохранения, применимых к данному процессу. Так, законом сохранения импульса запрещено рождение в вакууме реальной электрон-позитронной пары (или пары любых других массивных частиц) одним фотоном, поскольку единичный фотон в любой системе отсчёта несёт конечный импульс, а электрон-позитронная пара в своей системе центра масс обладает нулевым импульсом. Однако виртуальные пары любых частиц могут появляться и в таком процессе; в частности, именно рождение виртуальных пар в вакууме обуславливает такие эффекты, как поляризация вакуума, лэмбовский сдвиг уровней или излучение Хокинга. В ускоренной системе отсчёта виртуальная пара может обратиться в реальную.

          Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта с электромагнитным полем ядра (в сущности, с виртуальным фотоном) является преобладающим процессом потери энергии гамма-квантов в веществе при энергиях выше 3 МэВ (при более низких энергиях действуют в основном комптоновское рассеяние и фотоэффект, при энергиях ниже Ep = 2mec2 = 1,022 МэВ рождение пар вообще отсутствует). Вероятность рождения пары в таком процессе пропорциональна квадрату заряда ядра.

          Рождение электрон-позитронных пар гамма-квантами (в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле для разделения треков электрона и позитрона) впервые наблюдали Ирен и Фредерик Жолио-Кюри в 1933, а также Патрик Блэкетт, получивший в 1948 за это и другие открытия Нобелевскую премию по физике.

Рождение электрон-позитронных пар в электрическом поле

          Сильное электрическое поле способно генерировать электрон-позитронные пары. Интенсивность генерации электрон-позитронных пар зависит от напряжённости поля, а не от его частоты. Под влиянием статического электрического поля потенциальный барьер, отделяющий позитроны в море Дирака от электронов, приобретает треугольную форму. Швингер нашёл формулу для вероятности образования электрон-позитронных пар в единице объёма за единицу времени, то есть интенсивности рождения пар:  , где   — критическое значение напряжённости поля. Эффективность рождения пар экспоненциально уменьшается при уменьшении напряжённости. Чтобы эффект был заметным, необходимы очень большие напряжённости поля   В/см. Напряжённость поля на боровской орбите атома водорода   В/см.

Лазерные импульсы

          В мощных лазерных импульсах можно получить электромагнитные поля релятивистских напряжённостей. В настоящее время удаётся получить поток мощности до 1022 Вт/см² при длительности импульса порядка нескольких фемтосекунд (1 фс = 10−15 с). В таких полях с помощью линз можно создать напряжённости электрического поля, близкие к   Таким образом возможна прямая экспериментальная проверка эффекта вакуумного рождения электрон-позитронных пар.

Столкновения релятивистских тяжёлых ионов

          Достаточная напряжённость электрического поля достигается вблизи поверхности сверхтяжёлых ядер, имеющих заряд Z > 1/α ≈ 140, где α —постоянная тонкой структуры; энергия связи электрона на нижней, так называемой K-оболочке в атоме с зарядом ядра Z ≈ 150 равна массе электрона, а при Z ≈ 172 — удвоенной массе электрона, то есть порогу рождения электрон-позитронных пар Ep = 2mec2 = 1,022 МэВ. Ядер с таким зарядом в природе нет, однако они кратковременно образуются при столкновениях тяжёлых ионов в экспериментах, направленных на поиск сверхтяжёлых элементов. Если суммарный заряд сталкивающихся ионов превысит критическое значение, то на короткое время, до распада составного ядра возникнет электрическое поле, достаточное для спонтанного рождения реальной электрон-позитронной пары. Электрон виртуальной электрон-позитронной пары фактически находится в потенциальной яме с глубиной Ep. Когда вблизи неё появляется другая потенциальная яма с такой же или большей глубиной (К-оболочка вблизи сверхтяжёлого составного ядра), становится возможным превращение виртуальной пары в реальную. Электрон, туннелировав через потенциальный барьер, занимает вакансию на К-оболочке, а позитрон уходит на бесконечность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Аннигиляция

Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их аннигиляция при столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е - + е + ® g + g. Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и  т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е - + е +®m - + m+. В таких реакциях были открыты  “очарованные” и “прелестные” частицы. В аналогичном процессе е - + е + ® t - + t + открыли тяжелый t - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

          Аннигиляция  — это единственный процесс, в  котором исчезает обе начальные  частицы и вся их масса полностью  переходит, например, в энергию фотонов. Никакая другая реакция, используемая в энергетике, таким свойством не обладает. И при делении урана, и в процессах термоядерного синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть (порядка десятых долей процента) массы покоя частиц, участвующих в реакции. Поэтому аннигиляция антивещества с веществом даёт в тысячу раз больше энергии, чем при делении такого же количества урана. Если бы в нашем распоряжении была небольшая планета из антивещества, то все проблемы с энергетическим кризисом сразу отпали. Предположим мы научились бы переводить всю энергию аннигиляции в электрическую. Тогда для того, чтобы обеспечить планету годовым запасом электроэнергии, надо отколоть от планеты и подвергнуть аннигиляции всего лишь 1000-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 1000 килограмм с сотнями миллионов тонн угля и нефти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу!

 

Сколько энергии выделяется на 1 грамм топлива

1. Аннигиляция вещества  и антивещества 1014 джоулей

2. Деление урана 1011 джоулей

3. Сжигание угля                                               2,9ž104 джоулей

 

Антивещество было бы идеальным топливом ещё и потому, что оно не загрязняет окружающую среду. После аннигиляции, в конечном счете, остаются только фотоны высокой энергии и нейтрино.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3. Осцилляции

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4. Истинно нейтральные  частицы

Истинно нейтральные частицы — элементарные частицы или системы элементарных частиц, которые переходят в себя при зарядовом сопряжении, то есть являются античастицами для самих себя. Иногда также говорят, что они не имеют античастиц.

Для того, чтобы частица называлась истинно нейтральной, недостаточно, чтобы частица была электрически нейтральной. Многие нейтральные частицы, такие как нейтрон, гипероны Σ0 и Ξ0, мезоны D0 и B0, а также нейтрино, имеют отличные от себя античастицы. Истинно нейтральные частицы полностью тождественны своим античастицам, поэтому все их квантовые числа, которые меняют знак при зарядовом сопряжении, должны быть равны нулю. Таким образом, истинные нейтральные частицы имеют нулевые значения электрического заряда, магнитного момента, барионного и лептонного чисел, изотопического спина, странности, очарования, прелести, истинности, цвета.

Из несоставных частиц истинно нейтральными частицами являются фотон, Z-бозон, а также два бесцветных глюона   и  . Кроме того, есть много гипотетических истинно нейтральных частиц: гравитон, нейтральный бозон Хиггса, аксион и др. Все эти частицы являются бозонами. Все известные фермионы имеют какое-либо отличие от своей античастицы, но в 1937 году Этторе Майорана указал на возможность существования истинно нейтрального фермиона. Эту гипотетическую частицу называют майорановской частицей. Гипотетические частицы нейтралино  в суперсимметричных моделях являются фермионами Майораны.

Составные истинно нейтральные частицы

Истинно нейтральными частицами могут быть не только отдельные элементарные частицы, но и их системы, в том числе — системы из чётного количества фермионов. Например, позитроний — система из позитрона и электрона — является истинно нейтральной частицей, поскольку при зарядовом сопряжении позитрон заменяется на электрон, а электрон — на позитрон, вновь образуя, таким образом, позитроний.

Согласно современным представлениям, истинно нейтральные мезоны π0, φ0, η0 и др. также являются составными частицами — системами из кварка и антикварка одного аромата (так называемые кварконии).

 

 

 

 

Характеристики:

Частица	Символ	Масса, ГэВ/c²	Переносимое  взаимодействие	Взаимодействия,  в которых участвует	Спин	Время жизни,c	Пример распада (>5 %)	Электрический  заряд, e
Фотон	γ	0 (<6·10−26)	Электромагнитное  взаимодействие	Электромагнитное  взаимодействие	1	стабилен		0 (<10−32)
Z-бозон	Z	91,1876±0,0021	Слабое  взаимодействие	Слабое  взаимодействие	1	3·10−25	l + l (лептон +  соответствующий антилептон)	0
Глюоны   и	и	0 (<0,0002 эВ/c2)	Сильное  взаимодействие	Сильное  взаимодействие	1	Передатчик  сильного  взаимодействия		0
Бозон Хиггса	H0	125	Поле Хиггса		0	~·10−25	e++e−+e++e−	0
Гравитон	G	0 (<7·10−23)	Гравитация		2	Гипотетическая  частица		0
Нейтралино	G	>300[1]		Слабое  взаимодействие	½	Гипотетическая  частица