De fato, a afirmação de que a interação de partículas e antipartículas acarreta invariavelmente a criação de fótons é falsa mesmo no que diz respeito a elétrons e pósitrons. Um par elétron-pósitron livre se aniquila com a formação de quanta eletromagnéticos somente se sua energia não for muito alta. Elétrons e pósitrons muito rápidos são capazes de gerar mésons pi positivos e negativos (eles também são píons), múons positivos e negativos, prótons e antiprótons e até mesmo partículas mais pesadas - só a energia seria suficiente. Prótons e antiprótons lentos durante a aniquilação dão origem a píons carregados e neutros (e rápidos a outras partículas), que decaem em quanta gama, múons e neutrinos. Em princípio, a colisão de uma partícula e sua anticópia pode resultar em qualquer uma das combinações de partículas que não são proibidas pelos princípios de simetria e leis de conservação. |
Pode parecer que a aniquilação não é diferente de outras interações interpartículas, mas tem uma característica fundamental. Para que partículas estáveis, como prótons ou elétrons, ao se encontrarem, dêem origem a uma chuva de habitantes exóticos do microcosmo, elas precisam ser devidamente dispersas. Prótons lentos simplesmente mudarão sua velocidade quando se encontrarem - isso será o fim do assunto. Mas o próton e o antipróton, aproximando-se, sofrem espalhamento elástico e se dispersam ou se aniquilam e produzem partículas secundárias.
Todos os itens acima se referem à aniquilação de partículas livres. Se pelo menos um deles fizer parte de um sistema quântico, a situação permanece a mesma em princípio, mas as alternativas mudam. Por exemplo, a aniquilação de um elétron livre e de um pósitron livre nunca pode dar origem a apenas um quantum - a lei da conservação do momento não permite. Isso é mais fácil de ver se você trabalhar no sistema do centro de inércia do par em colisão - então o momento inicial será igual a zero e, portanto, não pode coincidir com o momento de um único fóton, não importa para onde ele voe. Se um pósitron encontra um elétron que é, digamos, parte de um átomo de hidrogênio, a aniquilação de um fóton também é possível - nesse caso, parte do momento será transferido para o núcleo atômico.
E ANTIGRAV?
O físico inglês Arthur Schuster acreditava que a antimatéria era repelida gravitacionalmente pela matéria comum, mas a ciência moderna considera isso improvável. Dos princípios mais gerais de simetria das leis do micromundo, segue-se que as antipartículas devem ser atraídas umas pelas outras pela gravidade, como partículas sem o prefixo "anti". A questão do que é a interação gravitacional de partículas e antipartículas ainda não foi totalmente resolvida, mas a resposta é quase óbvia.
Vamos começar com a teoria geral da relatividade de Einstein. Baseia-se no princípio da estrita igualdade das massas gravitacional e inercial, e para a matéria comum esta afirmação foi confirmada experimentalmente por muitas medições muito precisas. Como a massa inercial de uma partícula é exatamente igual à massa de sua antipartícula, parece muito provável que suas massas gravitacionais também sejam iguais. No entanto, esta ainda é uma suposição, embora muito plausível, e não pode ser provada por meio da relatividade geral.
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Trata-se do registro de radiação com energia característica de aniquilação, ou registro direto de antipartículas por massa e carga. Como antiprótons e núcleos de anti-hélio não podem voar pela atmosfera, eles só podem ser detectados com a ajuda de instrumentos levantados nas altas camadas da atmosfera em balões ou instrumentos orbitais, como o espectrômetro alfa magnético AMS-01 entregue à estação Mir em 1998, ou sua contraparte muito aprimorada AMS-02 (foto), que iniciará seu trabalho na ISS. |
PRINCIPAIS FORMAS DE BUSCA DE ANTIMATÉRIA |
Outro argumento contra a repulsão gravitacional entre matéria e antimatéria decorre da mecânica quântica. Lembre-se de que os hádrons (partículas que participam de interações fortes) são formados por quarks unidos por ligações de glúon. Cada bárion consiste em três quarks, enquanto os mésons consistem em combinações emparelhadas de quarks e antiquarks, e nem sempre iguais (um méson, que consiste em um quark e seu próprio antiquark, é uma partícula verdadeiramente neutra no sentido de que é completamente idêntico ao seu antimeson). No entanto, essas estruturas de quarks não podem ser consideradas absolutamente estáveis. Um próton, por exemplo, é composto de dois quarks u, cada um com carga elétrica elementar de +2/3, e um quark d com carga de -1/3 (portanto, a carga do próton é +1 ). No entanto, esses quarks, como resultado da interação com os glúons, podem mudar sua natureza por um período muito curto - em particular, eles podem se transformar em antiquarks. Se partículas e antipartículas se repelem gravitacionalmente, o peso do próton (e também, é claro, do nêutron) deve oscilar ligeiramente. No entanto, até agora nenhum tal efeito foi encontrado em um único laboratório.
Não há dúvida de que algum dia o Experimento de Sua Majestade responderá a essa pergunta. Precisamos de um pouco - acumular mais antimatéria e ver como ela se comporta no campo gravitacional terrestre. No entanto, tecnicamente, essas medições são incrivelmente complexas e é difícil prever quando poderão ser implementadas.
ENTÃO QUAL É A DIFERENÇA?
Após a descoberta do pósitron por um quarto de século, quase todos os físicos tinham certeza de que a natureza não distingue entre partículas e antipartículas. Mais especificamente, acreditava-se que qualquer processo físico envolvendo partículas corresponde exatamente ao mesmo processo envolvendo antipartículas, e ambos são realizados com a mesma probabilidade. Os dados experimentais disponíveis testemunharam que este princípio é observado para todas as quatro interações fundamentais - forte, eletromagnética, fraca e gravitacional.
E então, de repente, tudo mudou dramaticamente. Em 1956, os físicos americanos Li Jundao e Yang Jenning publicaram um artigo ganhador do Prêmio Nobel no qual discutiam a dificuldade de duas partículas aparentemente idênticas, o méson theta e o méson tau, decaírem em diferentes números de píons. Os autores enfatizaram que esse problema pode ser resolvido se assumirmos que tais decaimentos estão associados a processos cuja natureza muda ao passar do direito para o frio, ou seja, com a reflexão do espelho (um pouco mais tarde, os físicos perceberam que, em termos gerais, deve-se falar sobre reflexões em cada um dos três planos coordenados - ou, o que é o mesmo, sobre a mudança de sinais de todas as coordenadas espaciais, inversão espacial). Isso significa que o processo espelhado pode ser banido ou ocorrer com uma probabilidade diferente de antes do espelhamento. Um ano depois, experimentadores americanos (pertencentes a dois grupos independentes e trabalhando por métodos diferentes) confirmaram que tais processos existem.
Este foi apenas o começo. Ao mesmo tempo, físicos teóricos da URSS e dos EUA perceberam que a violação da simetria do espelho possibilita a violação da simetria no que diz respeito à substituição de partículas por antipartículas, o que também foi repetidamente comprovado em experimentos. Vale a pena notar que não muito antes de Lee e Yang, mas ainda no mesmo ano de 1956, a possibilidade de quebrar a simetria do espelho foi discutida pelo físico experimental Martin Block e pelo grande teórico Richard Feynman, mas eles nunca publicaram essas considerações.
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Durante uma das últimas missões do ônibus espacial (STS-134) em 2010, um novo instrumento científico, o Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer), será entregue à ISS. Seu protótipo AMS-01 foi entregue a bordo da estação espacial Mir em 1998 e confirmou o desempenho do conceito. O principal objetivo do programa científico será estudar e medir com alta precisão a composição dos raios cósmicos, bem como pesquisar formas exóticas de matéria - matéria escura, matéria estranha (partículas que contêm quarks estranhos), como bem como antimatéria - em particular, núcleos de anti-hélio. |
AMS PARA ISS |
Os físicos tradicionalmente denotam a reflexão do espelho com a letra latina P, e a substituição das partículas por suas antipartículas com a letra C. Ambas as simetrias são violadas apenas em processos que envolvem a interação fraca, aquela responsável pelo decaimento beta dos núcleos atômicos. Segue-se que é devido a interações fracas que existem diferenças no comportamento de partículas e antipartículas.
Uma estranha violação da simetria do espelho trazida à vida tenta compensá-la de alguma forma. Já em 1956, Lee e Yang, e independentemente Lev Landau, sugeriram que a natureza não distingue entre sistemas que são obtidos um do outro pela aplicação conjunta das transformações C e P (a chamada simetria CP). Do ponto de vista teórico, essa hipótese parecia muito convincente e, além disso, se ajustava bem aos dados experimentais. No entanto, apenas oito anos depois, funcionários do Brookhaven National Laboratory descobriram que um dos K-mesons não carregados (ou, como também são chamados, kaons) pode decair em um par de píons. Com adesão estrita à simetria CP, tal transformação é impossível - e, portanto, essa simetria não é universal! É verdade que a parcela de decaimentos supostamente proibidos não ultrapassou 0,2%, mas ainda assim ocorreram! A descoberta rendeu aos líderes da equipe de Brookhaven, James Cronin e Val Fitch, o Prêmio Nobel de Física.
SIMETRIA E ANTIMATERIA
As violações da simetria CP estão diretamente relacionadas à diferença entre matéria e antimatéria. No final da década de 1990, um experimento muito bonito foi feito no CERN com K 0 kaons neutros, cada um dos quais consiste em um quark d e um antiquark estranho mais massivo. As leis da natureza permitem que o antiquark perca um pouco de sua energia e se transforme em um anti-d. A energia liberada pode ser usada para decair o kaon, mas é possível que o d-quark vizinho a absorva e se transforme em um estranho quark. Como resultado, aparecerá uma partícula composta por um anti-d-quark e um quark estranho, ou seja, um antikaon neutro. Formalmente, essa transformação pode ser descrita como o resultado da aplicação da transformação CP ao kaon!
Assim, se a simetria CP for observada de forma absolutamente estrita, então os kaons neutros K 0 se transformam em suas antipartículas exatamente com a mesma probabilidade de sofrerem transformações reversas. Qualquer violação da simetria CP acarretará uma mudança em uma dessas probabilidades. Se prepararmos um feixe de um número igual de kaons e antikaons neutros e seguirmos a dinâmica da concentração de ambas as partículas, podemos descobrir se suas oscilações quânticas respeitam a simetria CP.
Isso é exatamente o que os físicos do CERN fizeram. Eles descobriram que antikaons neutros se tornam kaons um pouco mais rápido do que se transformam em antikaons. Em outras palavras, foi descoberto um processo durante o qual a antimatéria se transforma em matéria mais rapidamente do que a matéria em antimatéria! Em uma mistura com partes inicialmente iguais de matéria e antimatéria, com o tempo, forma-se até um pequeno, mas ainda mensurável excesso de matéria. O mesmo efeito foi revelado em experimentos com outras partículas neutras pesadas - mésons D 0 e mésons B 0 .
Assim, no final do século 20, os pesquisadores provaram de forma convincente que interações fracas têm efeitos diferentes em partículas e antipartículas. Embora essas diferenças sejam muito pequenas em si mesmas e só venham à tona no curso de certas transformações de partículas muito exóticas, elas são todas bastante reais. Isso significa a presença de assimetria física entre matéria e antimatéria.
Para completar o quadro, mais uma circunstância deve ser observada. Na década de 1950, a proposição mais importante da mecânica quântica relativística, o teorema CPT, foi provada. Ele diz que partículas e antipartículas são estritamente simétricas com relação à transformação CP seguida de reversão do tempo (a rigor, esse teorema é verdadeiro apenas sem levar em conta a gravidade, caso contrário, a questão permanece em aberto). Portanto, se a simetria do CP não for respeitada em alguns processos, sua velocidade nas direções "para frente" e "reversa" (o que considerar como ambas, é claro, é uma questão de acordo) não deve ser a mesma. Isso é exatamente o que os experimentos do CERN com kaons neutros provaram.
ONDE ESTÁ O ANTI-MUNDO?
Em 1933, Paul Dirac tinha certeza de que em nosso Universo existem ilhas inteiras de antimatéria, que ele mencionou em sua palestra do Nobel. No entanto, os cientistas modernos acreditam que não existem tais ilhas em nossa Galáxia ou além. Claro, a antimatéria como tal existe. As antipartículas são geradas por muitos processos de alta energia - digamos, a queima termonuclear de combustível estelar e explosões de supernovas. Eles surgem em nuvens de plasma magnetizado em torno de estrelas de nêutrons e buracos negros, durante colisões de partículas cósmicas rápidas no espaço interestelar, durante o bombardeio da atmosfera terrestre com raios cósmicos e, finalmente, em experimentos com aceleradores. Além disso, o decaimento de alguns radionuclídeos é acompanhado pela formação de antipartículas - ou seja, pósitrons. Mas tudo isso é apenas antipartículas e de forma alguma antimatéria. Até agora, ninguém foi capaz de detectar nem mesmo anti-hélio cósmico, muito menos elementos mais pesados. A busca por radiação gama com um espectro específico, causada pela aniquilação nos limites de aglomerados cósmicos de matéria e antimatéria, também não teve sucesso.
MUNDO OU ANTI-MUNDO? |
Vamos imaginar que estamos voando em uma nave interestelar que se aproxima de um planeta com vida inteligente. Como descobrir do que são feitos nossos irmãos da mente - matéria ou antimatéria? Você pode enviar uma sonda de reconhecimento, mas se ela explodir na atmosfera, podemos ser considerados agressores espaciais, como no romance de ficção científica de Krzysztof Borun, Antiworld. Isso pode ser evitado usando os mesmos kaons e antikaons neutros. Como já mencionado, eles são capazes não apenas de se transformar um no outro, mas também de se desintegrar e de maneiras diferentes. Em tais decaimentos, os neutrinos podem ser produzidos acompanhados por píons e elétrons positivos, ou por píons e pósitrons negativos. |
MUNDO OU ANTI-MUNDO? |
Relatórios aparecem periodicamente na literatura científica sobre a descoberta de fontes primárias não padronizadas de antipartículas cósmicas de origem desconhecida. Em abril de 2009, foram publicados dados sobre um misterioso excesso de pósitrons extremamente rápidos detectados pelo complexo detector PAMELA. Este equipamento é colocado a bordo do satélite russo Resurs-DK, que foi enviado para a órbita próxima da Terra em 15 de junho de 2006 do cosmódromo de Baikonur. Alguns especialistas interpretaram esse resultado como possível evidência da aniquilação de partículas hipotéticas de matéria escura, mas logo surgiu uma explicação menos exótica. Essa hipótese foi comentada pelo conhecido especialista em raios cósmicos Veniamin Berezinsky, do Laboratório Nacional Gran Sasso, que faz parte do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear: “O modelo padrão para a produção de raios cósmicos galácticos repousa em três posições. Os remanescentes de supernovas são considerados a primeira e principal fonte de partículas carregadas. A segunda ideia - as partículas são aceleradas a velocidades ultra-relativísticas nas frentes das ondas de choque pós-explosivas, e nessa aceleração o papel de seu próprio campo magnético é muito grande. A terceira posição é que os raios cósmicos se propagam por difusão. Meu ex-aluno, e agora professor do Instituto Nacional de Astrofísica, Pasquale Blasi mostrou que o excesso de pósitrons detectados pelo complexo PAMELA é bastante consistente com este modelo.Prótons acelerados em ondas de choque colidem com partículas de gás cósmico e é nesta zona de sua aceleração que se transformam em píons positivos, que decaem tsya com a formação de pósitrons e neutrinos. De acordo com os cálculos de Blazy, esse processo poderia muito bem produzir exatamente a mesma concentração de pósitrons encontrada por PAMELA. Tal mecanismo para gerar pósitrons parece absolutamente natural, mas por algum motivo nunca ocorreu a ninguém até agora. Blasi também mostrou que os mesmos processos também deveriam gerar excesso de antiprótons. No entanto, a seção transversal de sua produção é muito menor do que o valor correspondente para os pósitrons, por isso eles podem ser detectados apenas em energias mais altas. Acho que isso se tornará possível com o tempo."
Em geral, até agora tudo fala pelo fato de que não existem antiestrelas, nem antiplanetas, nem mesmo os menores antimeteoros no espaço. Por outro lado, os modelos convencionais do Big Bang afirmam que logo após o nascimento, nosso universo continha o mesmo número de partículas e antipartículas. Então, por que o primeiro sobreviveu e o último desapareceu?
ANTIPARTÍCULAS
ANTIPARTÍCULAS
O conjunto de elementos. partículas com os mesmos valores de massas e outras físicas. char-k, como seus "gêmeos" - h-tsy, mas diferindo deles no sinal de certos efeitos char-k (por exemplo, carga elétrica, momento magnético). O nome "h-tsa" e "A." até certo ponto condicional: pode-se chamar o antielétron (carregado positivamente. e-n) h-tsey e e-n - A. No entanto, os átomos nas ilhas na parte observável do universo contêm e-ns com um negativo. carga, enquanto os prótons são positivos. Portanto, para o conhecido para o começo. 20s século 20 elem. h-ts - el-on e próton (e posteriormente nêutron) o nome "partícula" foi adotado.
A conclusão sobre a existência de A. foi feita pela primeira vez em 1931 pelos ingleses. físico P. Dirac. Ele trouxe o parente. quantum. ur-tion para e-on (equação de Dirac), que acabou por ser simétrico em relação ao sinal do elétrico. carga: junto com uma carga negativa. el-nom descrevia uma carga positiva. h-zu da mesma massa - um antielétron. Segundo a teoria de Dirac, a colisão de p-tsy e A. deve levar à sua aniquilação - o desaparecimento deste par, do qual nascem dois ou mais outros p-ts, por exemplo. fótons.
Em 1932, os antielétrons foram descobertos experimentalmente por Amer. físico K. Anderson. Ele fotografou chuveiros formados por raios cósmicos em uma câmara de nuvens colocada em um magn. . Carregar h-tsa se move em magn. o campo ao longo de um arco de círculo, e as partículas com cargas de sinais diferentes são desviadas pelo campo em direções opostas. Junto com os então conhecidos vestígios de notícias rápidas, Anderson encontrou nas fotos exatamente o mesmo na aparência. traços mentais carregados positivamente. h-ts de mesma massa. Essas pessoas foram chamadas de pósitrons. A descoberta do pósitron foi uma brilhante confirmação da teoria de Dirac. Desde então, a busca por outros A.
Em 1936 também no espaço. raios foram encontrados negativos. e colocar. (m- e m+), que são h-tsey e A. em relação um ao outro. Em 1947, descobriu-se que os múons cosm. os raios surgem como resultado do decaimento de mésons h-c - pi um pouco mais pesados (p-, p+). Em 1955, os primeiros antiprótons foram registrados em experimentos no acelerador. Física o processo que resultou na formação dos antiprótons foi o próton - . Um pouco mais tarde, antinêutrons foram descobertos. Em 1981, A. de quase todos os elementos conhecidos foram descobertos experimentalmente. h-ts.
Os princípios gerais da teoria quântica de campos permitem tirar várias conclusões profundas sobre as propriedades da partícula e do átomo: massa, spin, spin isotópico, o tempo de vida da partícula e seu átomo devem ser os mesmos (em particular, partículas estáveis correspondem a MAS estável.); iguais em magnitude, mas opostos em sinal não devem ser apenas elétricos. cargas (e magn.) h-tsy e A., mas também todos os outros quantum. números que são atribuídos às pessoas para descrever os padrões de seus efeitos: carga bariônica, carga leptônica, estranheza, "", etc. Ch-tsa, em que todas as características que o distinguem de A. são iguais a zero, chamado verdadeiro neutro; h-ts e A. tais h-ts são idênticos. Estes incluem, por exemplo, mésons p0 e h, partículas J/y e Y.
Até 1956, acreditava-se que havia um completo entre p-tsy e A. Isso significa que se c.-l. processo entre p-tsami, então deve haver exatamente o mesmo processo entre A. Em 1956, descobriu-se que tal simetria existe apenas em forte e el.-ímã. vz-stvie. Em uma influência fraca, uma violação da simetria da partícula-A foi descoberta. (ver CHARGE CASAL). De A., em princípio, pode ser construído exatamente da mesma maneira que in-in de ch-ts. No entanto, a possibilidade de aniquilação ao encontrar seres humanos não permite mais A.. existem em in-ve. A. só pode “viver” por muito tempo se houver uma total ausência de contato com as pessoas nas ilhas. A evidência da presença de antimatéria em algum lugar "próximo" do Universo seria uma poderosa aniquilação. , vindo para a Terra da área de contato in-va e antimatéria. Mas até agora a astrofísica não conhece os dados que falariam da existência no Universo de regiões repletas de antimatéria.
Dicionário enciclopédico físico. - M.: Enciclopédia Soviética. . 1983 .
ANTIPARTÍCULAS
Partículas elementares com os mesmos valores de massas, spins, etc. físicas. características, como seus "gêmeos" - "partículas", mas diferindo deles em sinais de certas características de interação ( cobranças, por exemplo. sinal elétrico. carregar).
A existência de A. foi prevista por P. A. M. Dirac (P. A. M. Dirac). A equação relativística quântica do movimento do elétron obtida por ele em 1928 (ver. equação de Dirac) continha necessariamente soluções com neg. energias. Mais tarde foi mostrado que o desaparecimento de um elétron com um negativo energia deve ser interpretada como o surgimento de uma partícula (de mesma massa) com o positivo. energia e positivo. elétrico carga, ou seja, A. em relação ao elétron. Esta partícula é pósitron - inaugurado em 1932.
Em experimentos subsequentes, descobriu-se que não apenas , mas também todas as outras partículas têm seu A. Em 1936, no cósmico. os raios estavam abertos múon e seu A., e em 1947 - - e - mésons que compõem um par de partículas A.; registrado em 1955 em experimentos com aceleradores antipróton, em 1956 - antineutron etc. Para apresentar. Os AAs foram observados para quase todas as partículas conhecidas e não há dúvida de que os AAs estão presentes em todas as partículas.
A existência e as propriedades de A. são determinadas de acordo com os fundamentos. princípio da teoria quântica de campos - sua invariância em relação a SRT transformações (cfr. teorema CPT). A partir de CPT-teorema segue-se que , o spin e o tempo de vida da partícula e seu A. devem ser os mesmos. Em particular, partículas estáveis (em relação ao decaimento) correspondem a átomos estáveis (no entanto, sua existência na matéria por muito tempo é impossível devido a aniquilação com partículas de matéria). Os estados das partículas e seus A. são conectados pela operação conjugação de carga.
Portanto, a partícula e A. têm sinais elétricos opostos. cargas (e momentos magnéticos) têm o mesmo rotação isotópica, mas diferem no sinal de sua terceira projeção, têm a mesma magnitude, mas opostos no sinal estranheza, encanto, beleza etc. Conversão inversão combinada (CP) associa partículas helicoidais com estados de A. de helicidade oposta. Números bárions e leptônicos de mesma magnitude, mas de sinais opostos, são atribuídos a partículas e suas amplitudes.
Devido à invariância em relação à conjugação de cargas ( A PARTIR DE-invariância) do forte e el.-mag. interações conectadas por forças apropriadas, objetos compostos de partículas (núcleos atômicos, átomos) e de átomos (núcleos e átomos antimatéria) deve ter a mesma estrutura. Pela mesma razão, a estrutura dos hádrons e sua acústica coincidem, aliás, no quadro do modelo quarks os estados dos antibárions são descritos exatamente da mesma maneira que os estados dos bárions com a substituição dos quarks constituintes pelos correspondentes antiquarks. Os estados dos mésons e seus A. são distinguidos pela substituição dos componentes do quark e antiquark pelo correspondente e quark. Por partículas neutras verdadeiras os estados da partícula e do átomo coincidem. Tais partículas têm certas paridade de carga(com paridade) e SR-paridade. Todos os conhecidos são bósons (por exemplo, -mésons - com spin - com spin 1), no entanto, em princípio, também podem existir férmions verdadeiramente neutros (os chamados. Partículas Majorana).
interação fraca não é invariante em relação à conjugação de cargas e, conseqüentemente, quebra a simetria entre partículas e diamantes, que se manifesta na diferença de certos diferenciais. características de seus decaimentos fracos.
Se k.-l. a partir dos números quânticos de uma partícula eletricamente neutra não é estritamente conservada, então são possíveis transições (oscilações) entre os estados da partícula e seu A. Nesse caso, estados com um certo número quântico não conservado não são apropriados. estados do operador energia-momento, mas são superposições de estados verdadeiramente neutros com um definido. valores de massa. Um fenômeno semelhante pode ser realizado em sistemas, etc.
A própria definição do que chamar de "partícula" em um par partícula-A significa. medir condicionalmente. No entanto, com uma dada escolha de "partícula" seu A. é determinado exclusivamente. A conservação do número de bárions nos processos de interação fraca permite determinar a "partícula" em qualquer par bárion-antibário pela cadeia de decaimentos do bárion. A escolha de um elétron como "partícula" em um par elétron-pósitron fixa (devido à conservação do número leptônico em processos de interação fraca) a definição do estado de uma "partícula" em um par de elétrons neutrinos-antineutrinos. Transições entre léptons decomp. gerações (do tipo ) não foram observadas, de modo que a definição de uma "partícula" em cada geração de léptons, de modo geral, pode ser feita de forma independente. Normalmente, por analogia com um elétron, as "partículas" são chamadas de carregadas negativamente. , que, com a conservação do número leptônico, determina os correspondentes e antineutrinos. Para bósons, o conceito de "partícula" pode ser fixado pela definição, por exemplo, hipercarga.
O nascimento de A. ocorre nas colisões de partículas de matéria aceleradas a energias que excedem o limiar para o nascimento de um par partícula-A. (cm. nascimento de casais). No laboratório A. as condições nascem nas interações de partículas em aceleradores; o armazenamento do A. formado é realizado em anéis de armazenamento sob alto vácuo. Na natureza. A. as condições nascem durante a interação do cósmico primário. raios com a matéria, por exemplo, a atmosfera da Terra, e também devem nascer nas proximidades pulsares e núcleos galácticos ativos. Teórico considera a formação de A. (pósitrons, antinucleons) durante o acréscimo de matéria em buracos negros. No quadro da moderna Os cosmólogos consideram o nascimento de A. durante a evaporação de buracos negros primordiais de pequena massa.
Em temp-pax excedendo a energia de repouso das partículas de um determinado tipo (usado = 1), o par partícula-A. estão presentes em equilíbrio com a matéria e e-mag. radiação. Tais condições podem ser realizadas para elétron-pósitron nos núcleos quentes de estrelas massivas. De acordo com a teoria do Universo quente, nos primeiros estágios da expansão do Universo, os pares partícula-A estavam em equilíbrio com a matéria e a radiação. todas as variedades. de acordo com os modelos grande unificação efeitos de interrupção C- e a invariância de CP em processos de não-equilíbrio com não conservação do número de bárions poderia levar, no início do Universo, a bárions assimetria do universo mesmo sob condições de igualdade inicial estrita do número de partículas e A. Isso dá um físico. justificativa para a ausência de observação. dados sobre a existência de objetos no Universo de A.
Aceso.: Dirac P. A. M., Princípios da mecânica quântica, trad. de English, 2ª ed., M., 1979; Nishijima K., Partículas fundamentais, trad. do inglês, , 1965; Li Ts., Wu Ts., interações fracas, trans. de English, M., 1968; Zeldovich Ya. V., Novikov I. D., Estrutura e evolução do universo, M., 1975. M. Yu Khlopov.
Enciclopédia física. Em 5 volumes. - M.: Enciclopédia Soviética. Editor-chefe A. M. Prokhorov. 1988 .
Veja o que é "ANTI-PARTÍCULAS" em outros dicionários:
Partículas elementares que têm a mesma massa, spin, tempo de vida e algumas outras características internas de suas contrapartes de partículas, mas diferem das partículas em sinais de carga elétrica e momento magnético, carga de bárions, lépton ... ... Grande Dicionário Enciclopédico
ANTIPARTÍCULAS, gêmeas de partículas elementares, nas quais as massas e outras características físicas têm os mesmos valores que as partículas, e algumas características, como carga elétrica ou momento magnético, são opostas em sinal. Quase tudo… … Enciclopédia Moderna
antipartículas- ANTIPARTÍCULAS, "gêmeas" das partículas elementares, cujas massas e demais características físicas possuem os mesmos valores das partículas, sendo que algumas características, como carga elétrica ou momento magnético, são de sinal oposto. Por pouco… … Dicionário Enciclopédico Ilustrado
ANTIPARTÍCULAS- um conjunto de partículas elementares e muitas fundamentais, cuja massa e (ver) são exatamente iguais à massa e ao spin de uma determinada partícula, e a carga elétrica, o momento magnético e outras características semelhantes são as mesmas com as mesmas características da partícula, mas ... ... Grande Enciclopédia Politécnica
Uma antipartícula é um gêmeo de alguma outra partícula elementar, tendo a mesma massa e o mesmo spin, mas diferindo dela em sinais de algumas características de interação (cargas, como cargas elétricas e coloridas, bárions e ... ... Wikipedia
A hipótese da antipartícula surgiu pela primeira vez em 1928, quando P. Dirac, com base na equação de onda relativística, previu a existência do pósitron (ver § 263), descoberto quatro anos depois por K. Anderson como parte da radiação cósmica.
Um elétron e um pósitron não são o único par de partículas e antipartículas. Com base na teoria quântica relativística, eles chegaram à conclusão de que para cada partícula elementar deve haver uma antipartícula (o princípio da conjugação de cargas). As experiências mostram que, com algumas exceções (por exemplo, o fóton e o p 0 -meson), de fato, cada partícula corresponde a uma antipartícula.
Segue-se das disposições gerais da teoria quântica que as partículas e antipartículas devem ter as mesmas massas, os mesmos tempos de vida no vácuo, o mesmo módulo, mas cargas elétricas de sinais opostos (e momentos magnéticos), os mesmos spins e spins isotópicos e os mesmos outros números quânticos. , atribuídos a partículas elementares para descrever as leis de sua interação (número leptônico (ver § 275), número bariônico (ver § 275), estranheza (ver § 274), charme (ver § 275), etc.) . Até 1956, acreditava-se que havia uma simetria completa entre partículas e antipartículas, ou seja, se algum processo ocorre entre partículas, então deve existir exatamente o mesmo (com as mesmas características) processo entre antipartículas. No entanto, em 1956 foi provado que tal simetria é característica apenas para as interações fortes e eletromagnéticas e é violada para as fracas.
Segundo a teoria de Dirac, a colisão de uma partícula e uma antipartícula deveria levar à aniquilação mútua, resultando no surgimento de outras partículas elementares ou fótons. Um exemplo disso é a reação considerada (263.3) de aniquilação de um par elétron-pósitron (-1 0 e+ + 1 0 e® 2g).
Depois que a existência teoricamente prevista do pósitron foi confirmada experimentalmente, surgiu a questão sobre a existência do antipróton e do antinêutron. Os cálculos mostram que, para criar um par partícula-antipartícula, é necessário gastar energia superior à dupla energia de repouso do par, pois as partículas devem receber uma energia cinética muito significativa. Para criar um p-p̃-par, é necessária uma energia de aproximadamente 4,4 GeV. O antipróton foi realmente descoberto experimentalmente (1955) durante o espalhamento de prótons (acelerado no então maior síncrofasotron da Universidade da Califórnia) por núcleons de núcleos-alvo (o cobre serviu como alvo), como resultado do qual um par p - p̃ nasceu.
Um antipróton difere de um próton em sinais de carga elétrica e seu próprio momento magnético. Um antipróton pode aniquilar não apenas com um próton, mas também com um nêutron:
(273.1) (273.2) (273.3)
Um ano depois (1956), o mesmo acelerador conseguiu obter um antinêutron (ñ) e realizar sua aniquilação. Os antinêutrons surgiram como resultado da troca de carga dos antiprótons enquanto eles se moviam através da matéria. A reação de troca de carga р̃ consiste na troca de cargas entre um nucleon e um antinucleon e pode ocorrer de acordo com os esquemas
(273.4) (273.5)
O antinêutron ñ difere do nêutron no sinal de seu próprio momento magnético. Se os antiprótons são partículas estáveis, então um antinêutron livre, se não sofrer aniquilação, eventualmente sofre decaimento de acordo com o esquema
Antipartículas também foram encontradas para o méson p +, kaons e hyperons (ver § 274). No entanto, existem partículas que não possuem antipartículas - são as chamadas partículas verdadeiramente neutras. Estes incluem fóton, p°-meson e η-meson (sua massa é 1074m e , tempo de vida 7×10 -19 s; decai com a formação de p-mesons e γ-quanta). Partículas verdadeiramente neutras não são capazes de aniquilação, mas experimentam transformações mútuas, que são a propriedade fundamental de todas as partículas elementares. Podemos dizer que cada uma das partículas verdadeiramente neutras é idêntica à sua antipartícula.
De grande interesse e sérias dificuldades foram a prova da existência de antineutrinos e a resposta à questão de saber se neutrinos e antineutrinos são partículas idênticas ou diferentes. Usando fluxos poderosos de antineutrinos obtidos em reatores (fragmentos de fissão de núcleos pesados experimentam decaimento β e, de acordo com (258.1), emitem antineutrinos), os físicos americanos F. Reines e K. Cowan (1956) registraram com segurança a reação de captura de um elétron antineutrino por um próton:
Da mesma forma, a reação de captura de um neutrino de elétron por um nêutron é fixa:
Assim, as reações (273.6) e (273.7) foram, por um lado, prova incontestável de que v e e ṽ e, são partículas reais, e não conceitos fictícios introduzidos apenas para explicar o decaimento β e, por outro lado, confirmaram a conclusão de que v e e ṽ e- várias partículas.
Posteriormente, experimentos sobre a produção e absorção de neutrinos muônicos mostraram que v m e ṽ m são partículas diferentes. Também está provado que o par v e, v m são partículas diferentes, e o par v e, ṽ e não é o mesmo que um casal v m, ṽ m Segundo a ideia de B. M. Pontecorvo (ver § 271), a reação de captura de neutrinos múon (obtida pelo decaimento de p + ®m + + v m (271.1)) por nêutrons e as partículas resultantes foram observado. Descobriu-se que a reação (273,7) não ocorre e a captura ocorre de acordo com o esquema
isto é, em vez de elétrons, m - -muons nasceram na reação. Isso confirmou a diferença entre v e e vm
Segundo conceitos modernos, neutrinos e antineutrinos diferem entre si em uma das características quânticas do estado de uma partícula elementar - a spnalidade, definida como a projeção do spin da partícula na direção de seu movimento (por momento). Para explicar os dados experimentais, assume-se que o spin s do neutrino é orientado antiparalelo ao momento p, ou seja, as direções p e s formam um parafuso canhoto e o neutrino tem uma helicidade canhota (Fig. 349, a ). Para antineutrinos, as direções p e s formam um parafuso direito, ou seja, o antineutrino tem uma espinalidade direita (Fig. 349, b). Esta propriedade é igualmente válida para neutrinos de elétrons e múons (antineutrinos).
Para que a helicidade seja usada como característica dos neutrinos (antineutrinos), a massa do neutrino deve ser assumida como zero. A introdução da helicidade tornou possível explicar, por exemplo, a violação da lei de conservação de paridade (ver § 274) no caso de interações fracas que causam o decaimento de partículas elementares e o decaimento β. Assim, m - -muon é atribuído à helicidade direita, m + -muon - esquerda.
Após a descoberta de um número tão grande de antipartículas, surgiu uma nova tarefa - encontrar antinúcleos, ou seja, provar a existência da antimatéria, que é construída a partir de antipartículas, assim como a matéria a partir de partículas. Antinúcleos foram realmente descobertos. O primeiro antinúcleo, o antideuteron (um estado ligado de p̃ e ñ), foi obtido em 1965 por um grupo de físicos americanos liderados por L. Lederman. .
Deve-se notar, no entanto, que a possibilidade de aniquilação ao encontrar partículas não permite que as antipartículas existam entre as partículas por muito tempo. Portanto, para um estado estável da antimatéria, ela deve ser isolada da matéria. Se houvesse um acúmulo de antimatéria perto da parte do Universo conhecida por nós, então uma poderosa radiação de aniquilação (explosões com liberação de grandes quantidades de energia) deveria ser observada. No entanto, os astrofísicos não registraram nada do tipo até agora. As pesquisas realizadas para a busca de antinúcleos (em última análise, antimatéria), e os primeiros sucessos alcançados nessa direção são de fundamental importância para um maior conhecimento da estrutura da matéria.
De acordo com a equação de Dirac, o encontro de um elétron com um pósitron tem consequências fatais para eles - ambas as partículas desaparecem. Uma previsão tão surpreendente e sua confirmação experimental causaram forte impressão tanto em físicos quanto em não físicos - afinal, este foi o primeiro exemplo de transformação completa da matéria em radiação. O efeito recém-descoberto foi chamado de aniquilação, que em latim significa aniquilação completa.
Até agora, ninguém foi capaz de detectar o anti-hélio cósmico e a radiação gama com um espectro específico devido à aniquilação nos limites dos aglomerados de matéria e antimatéria.
De fato, a afirmação de que a interação de partículas e antipartículas acarreta invariavelmente a criação de fótons é falsa mesmo no que diz respeito a elétrons e pósitrons. Um par elétron-pósitron livre se aniquila com a formação de quanta eletromagnéticos somente se sua energia não for muito alta. Elétrons e pósitrons muito rápidos são capazes de gerar mésons pi positivos e negativos (eles também são píons), múons positivos e negativos, prótons e antiprótons e até mesmo partículas mais pesadas - só a energia seria suficiente. Prótons e antiprótons lentos durante a aniquilação dão origem a píons carregados e neutros (e rápidos a outras partículas), que decaem em quanta gama, múons e neutrinos. Em princípio, a colisão de uma partícula e sua anticópia pode resultar em qualquer uma das combinações de partículas que não são proibidas pelos princípios de simetria e leis de conservação.
De acordo com a equação de Dirac, o encontro de um elétron com um pósitron tem consequências fatais para eles - ambas as partículas desaparecem. Uma previsão tão surpreendente e sua confirmação experimental causaram forte impressão tanto em físicos quanto em não físicos - afinal, este foi o primeiro exemplo de transformação completa da matéria em radiação. O efeito recém-descoberto foi chamado de aniquilação, que em latim significa aniquilação completa.
Pode parecer que a aniquilação não é diferente de outras interações interpartículas, mas tem uma característica fundamental. Para que partículas estáveis, como prótons ou elétrons, ao se encontrarem, dêem origem a uma chuva de habitantes exóticos do microcosmo, elas precisam ser devidamente dispersas. Prótons lentos simplesmente mudarão sua velocidade quando se encontrarem - este é o fim do assunto. Mas o próton e o antipróton, aproximando-se, sofrem espalhamento elástico e se dispersam ou se aniquilam e produzem partículas secundárias.
Todos os itens acima se referem à aniquilação de partículas livres. Se pelo menos um deles fizer parte de um sistema quântico, a situação permanece a mesma em princípio, mas as alternativas mudam. Por exemplo, a aniquilação de um elétron livre e de um pósitron livre nunca pode dar origem a apenas um quantum - a lei da conservação do momento não o permite. Isso é mais fácil de ver se você trabalhar no sistema do centro de inércia do par em colisão - então o momento inicial será zero e, portanto, não pode coincidir com o momento de um único fóton, não importa para onde ele voe. Se um pósitron encontra um elétron que é, digamos, parte de um átomo de hidrogênio, a aniquilação de um fóton também é possível - nesse caso, parte do momento é transferido para o núcleo atômico.
As principais formas de busca da antimatéria são o registro de radiação com energia característica de aniquilação, ou o registro direto de antipartículas por massa e carga. Como antiprótons e núcleos de anti-hélio não podem voar pela atmosfera, eles só podem ser detectados com a ajuda de instrumentos levantados nas altas camadas da atmosfera em balões ou instrumentos orbitais, como o espectrômetro alfa magnético AMS-01 entregue à estação Mir em 1998, ou seu primo muito melhorado AMS-02 (foto), que começará a operar na ISS em 2010.
Que tal antigravidade?
O físico inglês Arthur Schuster acreditava que a antimatéria era repelida gravitacionalmente pela matéria comum, mas a ciência moderna considera isso improvável. Dos princípios mais gerais de simetria das leis do micromundo, segue-se que as antipartículas devem ser atraídas umas pelas outras pela gravidade, como partículas sem o prefixo "anti". A questão do que é a interação gravitacional de partículas e antipartículas ainda não foi totalmente resolvida, mas a resposta é quase óbvia.
Vamos começar com a teoria geral da relatividade de Einstein. Baseia-se no princípio da estrita igualdade das massas gravitacional e inercial, e para a matéria comum esta afirmação foi confirmada experimentalmente por muitas medições muito precisas. Como a massa inercial de uma partícula é exatamente igual à massa de sua antipartícula, parece muito provável que suas massas gravitacionais também sejam iguais. No entanto, esta ainda é uma suposição, embora muito plausível, e não pode ser provada por meio da relatividade geral.
Outro argumento contra a repulsão gravitacional entre matéria e antimatéria decorre da mecânica quântica. Lembre-se de que os hádrons (partículas que participam de interações fortes) são formados por quarks unidos por ligações de glúon. Cada bárion consiste em três quarks, enquanto os mésons consistem em combinações emparelhadas de quarks e antiquarks, e nem sempre iguais (um méson, que consiste em um quark e seu próprio antiquark, é uma partícula verdadeiramente neutra no sentido de que é completamente idêntico ao seu antimeson). No entanto, essas estruturas de quarks não podem ser consideradas absolutamente estáveis. Um próton, por exemplo, é composto de dois quarks u, cada um com carga elétrica elementar de +2/3, e um quark d com carga de -1/3 (portanto, a carga do próton é +1 ). No entanto, esses quarks, como resultado da interação com os glúons, podem mudar sua natureza por um período muito curto - em particular, eles podem se transformar em antiquarks. Se partículas e antipartículas se repelem gravitacionalmente, o peso do próton (e também, é claro, do nêutron) deve oscilar ligeiramente. No entanto, até agora nenhum tal efeito foi encontrado em um único laboratório.
Antimatéria e a Via Láctea
Na década de 1970, astrônomos usando telescópios de raios gama montados em balões de alta altitude detectaram raios gama de 511 keV vindos do centro de nossa Galáxia, a Via Láctea. É essa energia característica da aniquilação de elétrons e pósitrons livres, que permitiu supor a presença de uma nuvem de antimatéria com tamanho de cerca de 10.000 anos-luz.
Não há dúvida de que algum dia o Experimento de Sua Majestade responderá a essa pergunta. Não é preciso muito para acumular mais antimatéria e ver como ela se comporta no campo gravitacional da Terra. No entanto, tecnicamente, essas medições são incrivelmente complexas e é difícil prever quando poderão ser implementadas.
Então, qual é a diferença?
Após a descoberta do pósitron por um quarto de século, quase todos os físicos tinham certeza de que a natureza não distingue entre partículas e antipartículas. Mais especificamente, acreditava-se que qualquer processo físico envolvendo partículas corresponde exatamente ao mesmo processo envolvendo antipartículas, e ambos são realizados com a mesma probabilidade. Os dados experimentais disponíveis testemunharam que este princípio é observado para todas as quatro interações fundamentais - forte, eletromagnética, fraca e gravitacional.
E então, de repente, tudo mudou dramaticamente. Em 1956, os físicos americanos Li Tsung-dao e Yang Jenning publicaram um artigo ganhador do Prêmio Nobel no qual discutiam as dificuldades associadas ao fato de que duas partículas aparentemente idênticas, thetameson e thaumeson, decaem em diferentes números de píons. Os autores enfatizaram que esse problema pode ser resolvido se assumirmos que tais decaimentos estão associados a processos cuja natureza muda durante a transição do direito para o frio, ou seja, durante a reflexão do espelho (um pouco mais tarde, os físicos perceberam que, em geral, precisamos falar sobre reflexões em cada um dos três planos coordenados - ou, o que é o mesmo, sobre a mudança de sinais de todas as coordenadas espaciais, inversão espacial). Isso significa que o processo espelhado pode ser banido ou ocorrer com uma probabilidade diferente de antes do espelhamento. Um ano depois, experimentadores americanos (pertencentes a dois grupos independentes e trabalhando por métodos diferentes) confirmaram que tais processos existem.
Este foi apenas o começo. Ao mesmo tempo, físicos teóricos da URSS e dos EUA perceberam que a violação da simetria do espelho possibilita a violação da simetria no que diz respeito à substituição de partículas por antipartículas, o que também foi repetidamente comprovado em experimentos. Vale a pena notar que não muito antes de Lee e Yang, mas ainda no mesmo ano de 1956, a possibilidade de quebrar a simetria do espelho foi discutida pelo físico experimental Martin Block e pelo grande teórico Richard Feynman, mas eles nunca publicaram essas considerações.
Os físicos tradicionalmente designam a reflexão especular com a letra latina P, e a substituição das partículas por suas antipartículas com a letra C. Ambas as simetrias são violadas apenas em processos que envolvem a interação fraca, aquela responsável pelo decaimento beta dos núcleos atômicos. Segue-se que é devido a interações fracas que existem diferenças no comportamento de partículas e antipartículas.
Durante uma das últimas missões do ônibus espacial (STS-134) em 2010, um novo instrumento científico, o Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer), será entregue à MSC. Seu protótipo AMS-01 foi entregue a bordo da estação espacial Mir em 1998 e provou a viabilidade do conceito. O principal objetivo do programa científico será estudar e medir com alta precisão a composição dos raios cósmicos, bem como pesquisar formas exóticas de matéria - matéria escura, matéria estranha (partículas que contêm quarks estranhos), como bem como antimatéria - em particular, núcleos de anti-hélio.
Uma estranha violação da simetria do espelho trazida à vida tenta compensá-la de alguma forma. Já em 1956, Lee e Yang, e independentemente Lev Landau, sugeriram que a natureza não distingue entre sistemas que são obtidos um do outro pela aplicação conjunta das transformações C e P (a chamada simetria CP). Do ponto de vista teórico, essa hipótese parecia muito convincente e, além disso, se ajustava bem aos dados experimentais. No entanto, apenas oito anos depois, funcionários do Brookhaven National Laboratory descobriram que um dos K-mesons não carregados (ou, como também são chamados, kaons) pode decair em um par de píons. Com adesão estrita à simetria CP, tal transformação é impossível - e, portanto, essa simetria não é universal! É verdade que a parcela de decaimentos supostamente proibidos não ultrapassou 0,2%, mas ainda assim ocorreram! A descoberta rendeu aos líderes da equipe de Brookhaven, James Cronin e Val Fitch, o Prêmio Nobel de Física.
Simetria e antimatéria
As violações de CP estão diretamente relacionadas à diferença entre matéria e antimatéria. No final da década de 1990, um experimento muito bonito foi feito no CERN com kaons K0 neutros, cada um dos quais consiste em um quark d e um antiquark estranho mais massivo. As leis da natureza permitem que o antiquark perca um pouco de sua energia e se transforme em um anti-d. A energia liberada pode ser usada para decair o kaon, mas é possível que o d-quark vizinho a absorva e se transforme em um estranho quark. Como resultado, aparecerá uma partícula composta por um anti-d-quark e um quark estranho, ou seja, um antikaon neutro. Formalmente, essa transformação pode ser descrita como o resultado da aplicação da transformação CP ao kaon!
Assim, se a simetria CP for observada de forma absolutamente estrita, então os kaons neutros K0 se transformam em suas antipartículas exatamente com a mesma probabilidade de sofrerem transformações reversas. Qualquer violação da simetria CP acarretará uma mudança em uma dessas probabilidades. Se prepararmos um feixe de um número igual de kaons e antikaons neutros e seguirmos a dinâmica da concentração de ambas as partículas, podemos descobrir se suas oscilações quânticas respeitam a simetria CP.
Isso é exatamente o que os físicos do CERN fizeram. Eles descobriram que antikaons neutros se tornam kaons um pouco mais rápido do que se transformam em antikaons. Em outras palavras, foi descoberto um processo durante o qual a antimatéria se transforma em matéria mais rapidamente do que a matéria em antimatéria! Em uma mistura com partes inicialmente iguais de matéria e antimatéria, com o tempo, forma-se até um pequeno, mas ainda mensurável excesso de matéria. O mesmo efeito foi revelado em experimentos com outras partículas neutras pesadas, mésons D0 e mésons B0.
Assim, no final do século 20, os pesquisadores provaram de forma convincente que interações fracas afetam partículas e antipartículas de maneiras diferentes. Embora essas diferenças sejam muito pequenas em si mesmas e só venham à tona no curso de certas transformações de partículas muito exóticas, elas são todas bastante reais. Isso significa a presença de assimetria física entre matéria e antimatéria.
Para completar o quadro, mais uma circunstância deve ser observada. Na década de 1950, a proposição mais importante da mecânica quântica relativística, o teorema CPT, foi provada. Ele diz que partículas e antipartículas são estritamente simétricas em relação à transformação CP, seguida de reversão do tempo (a rigor, esse teorema é verdadeiro apenas sem levar em conta a gravidade, caso contrário, a questão permanece em aberto). Portanto, se a simetria CP não for observada em alguns processos, suas velocidades nas direções "para frente" e "reversa" (o que considerar como ambas, é claro, é uma questão de concordância) não devem ser as mesmas. Isso é exatamente o que os experimentos do CERN com kaons neutros provaram.
A missão AMS-02 durará cerca de sete anos. Espera-se que o módulo de sete toneladas acoplado à ISS detecte mais de 1 bilhão de núcleos de hélio e vários núcleos de anti-hélio. O predecessor desse detector, o AMS-01, registrou cerca de 1 milhão de núcleos de hélio, mas não detectou anti-hélio.
Onde estão os anti-mundos?
Em 1933, Paul Dirac tinha certeza de que em nosso Universo existem ilhas inteiras de antimatéria, que ele mencionou em sua palestra do Nobel. No entanto, os cientistas modernos acreditam que não existem tais ilhas em nossa Galáxia ou além.
Claro, a antimatéria como tal existe. As antipartículas são geradas por muitos processos de alta energia, como a queima termonuclear de combustível estelar e explosões de supernovas. Eles surgem em nuvens de plasma magnetizado em torno de estrelas de nêutrons e buracos negros, durante colisões de partículas cósmicas rápidas no espaço interestelar, durante o bombardeio da atmosfera terrestre com raios cósmicos e, finalmente, em experimentos com aceleradores. Além disso, o decaimento de alguns radionuclídeos é acompanhado pela formação de antipartículas, ou seja, pósitrons. Mas tudo isso é apenas antipartículas e de forma alguma antimatéria. Até agora, ninguém foi capaz de detectar nem mesmo anti-hélio cósmico, muito menos elementos mais pesados. A busca por radiação gama com um espectro específico, causada pela aniquilação nos limites de aglomerados cósmicos de matéria e antimatéria, também não teve sucesso.
Relatórios aparecem periodicamente na literatura científica sobre a descoberta de fontes primárias não padronizadas de antipartículas cósmicas de origem desconhecida. Em abril de 2009, foram publicados dados sobre um misterioso excesso de pósitrons extremamente rápidos detectados pelo complexo detector PAMELA. Este equipamento é colocado a bordo do satélite russo Resurs-DK1, que foi enviado para a órbita próxima da Terra em 15 de junho de 2006 do cosmódromo de Baikonur. Alguns especialistas interpretaram esse resultado como possível evidência da aniquilação de partículas hipotéticas de matéria escura, mas logo surgiu uma explicação menos exótica. Esta hipótese foi comentada para "PM" por um conhecido especialista em raios cósmicos, Veniamin Berezinsky, do Laboratório Nacional Gran Sasso, que faz parte do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear: "O modelo padrão para a produção de raios cósmicos galácticos baseia-se em três posições. Os remanescentes de supernova são considerados a primeira e principal fonte de partículas carregadas. A segunda ideia é que as partículas são aceleradas a velocidades ultrarrelativísticas nas frentes das ondas de choque pós-explosivas, e o papel de seu próprio campo magnético é muito grande nessa aceleração. A terceira proposição é que os raios cósmicos se propagam por difusão. Meu ex-aluno e agora professor do Instituto Nacional de Astrofísica, Pasquale Blasi, mostrou que o excesso de pósitrons detectado pelo complexo PAMELA é bastante consistente com esse modelo. Os prótons acelerados em ondas de choque colidem com partículas de gás cósmico e é nessa zona de sua aceleração que se transformam em píons positivos, que decaem com a formação de pósitrons e neutrinos. De acordo com os cálculos de Blazy, esse processo poderia muito bem produzir exatamente a mesma concentração de pósitrons encontrada por PAMELA. Tal mecanismo para gerar pósitrons parece absolutamente natural, mas por algum motivo nunca ocorreu a ninguém até agora. Blasi também mostrou que os mesmos processos também deveriam gerar excesso de antiprótons. No entanto, a seção transversal de sua produção é muito menor do que o valor correspondente para os pósitrons, por isso eles podem ser detectados apenas em energias mais altas. Acho que com o tempo isso se tornará possível.”
Mundo ou anti-mundo?
Vamos imaginar que estamos voando em uma nave interestelar que se aproxima de um planeta com vida inteligente. Como sabemos do que nossos irmãos em mente são feitos - matéria ou antimatéria? Você pode enviar uma sonda de reconhecimento, mas se ela explodir na atmosfera, podemos ser considerados agressores espaciais, como acontece no romance de ficção científica de Krzysztof Borun, Antiworld. Isso pode ser evitado usando os mesmos kaons e antikaons neutros. Como já mencionado, eles são capazes não apenas de se transformar um no outro, mas também de se desintegrar e de maneiras diferentes. Em particular, neutrinos acompanhados por píons e elétrons positivos ou píons e pósitrons negativos podem ser produzidos em tais decaimentos. Devido à assimetria entre matéria e antimatéria, as taxas de tais reações são um pouco diferentes. Esta circunstância pode ser usada como um "teste decisivo". Para testar a antimaterialidade de um planeta alienígena, é conveniente tomar não kaons e antikaons puros, mas seus estados mistos, que geralmente são denotados como Ks e Kl (s é curto e l é longo). O fato é que no estado L, o tempo de vida de uma partícula é 570 vezes maior do que no estado S (5,12x10^-8 seg versus 8,95x10^-11 seg). Na versão de longa duração dos kaons, a simetria de matéria e antimatéria é muito mais forte - para cada 10 mil decaimentos do tipo desejado, aproximadamente 5.015 produzem pósitrons e 4.985 elétrons. A propósito, notamos que o experimento histórico de Cronin e Finch também foi feito em mésons Kl. E agora vamos começar uma conversa com os irmãos em mente. Kaons têm uma massa característica ligeiramente maior que a metade de um próton. Vamos explicar aos nossos parceiros de negociação que precisamos de uma partícula neutra instável, cuja massa é ligeiramente maior que a massa do núcleo do átomo mais simples. Os físicos extraterrestres entenderão do que se trata, farão Kl-mésons e determinarão as características de seus decaimentos que nos interessam. Quando tiverem conseguido isso, perguntaremos se o sinal da carga elétrica da mais leve das partículas carregadas, gerada nesses decaimentos um pouco mais frequentemente do que uma partícula semelhante de sinal oposto, coincide com o sinal das partículas que compõem os átomos de seu mundo. No caso de uma resposta positiva, ficará claro para nós que os pósitrons fazem parte de seus átomos e, portanto, o alienígena consiste em antimatéria. E se a resposta for negativa - você pode se preparar para o pouso!
Em geral, até agora tudo fala pelo fato de que não existem antiestrelas, nem antiplanetas, nem mesmo os menores antimeteoros no espaço. Por outro lado, os modelos convencionais do Big Bang afirmam que logo após o nascimento, nosso universo continha o mesmo número de partículas e antipartículas. Então, por que o primeiro sobreviveu e o último desapareceu? Leia a resposta a esta pergunta em um dos artigos a seguir.
O artigo "A guerra das partículas e antipartículas: quem permanece no campo de batalha" foi publicado na revista Popular Mechanics (
O princípio da conjugação de carga é formulado com base na teoria quântica. Para cada partícula elementar deve haver uma antipartícula.
As experiências mostram que, com algumas exceções (por exemplo, um fóton), de fato, cada partícula corresponde a uma antipartícula.
De acordo com a teoria quântica, partículas e antipartículas têm:
- - as mesmas massas;
- - a mesma vida útil no vácuo;
- - idênticos em módulo, mas opostos em sinais de carga;
- - spins idênticos, bem como outros números quânticos idênticos atribuídos a partículas elementares (não são considerados neste manual).
As antipartículas são indicadas pelo mesmo símbolo que as partículas, apenas com um til. Até 1956, acreditava-se que havia uma simetria completa entre partículas e antipartículas, ou seja, se algum processo ocorre entre as partículas, então deve existir exatamente o mesmo (com as mesmas características) processo entre as antipartículas. No entanto, em 1956 foi provado que tal simetria é característica apenas para as interações fortes e eletromagnéticas e é violada para as fracas.
De acordo com a teoria quântica, a colisão de uma partícula e uma antipartícula deve levar à aniquilação mútua, resultando no surgimento de outras partículas elementares, ou fótons. Um exemplo disso é a reação de aniquilação de um par elétron-pósitron:
Essa. um par elétron-pósitron é convertido em dois y-quanta, e a energia do par é convertida na energia dos fótons. A aparição neste processo de dois y-quanta decorre da lei da conservação do momento e da energia. Reação considerada - exemplo interconexões de várias formas de matéria: nesses processos, a matéria na forma de substância é transformada em matéria na forma de campo eletromagnético e vice-versa.
Depois que a existência teoricamente prevista do pósitron foi confirmada experimentalmente, surgiu a questão sobre a existência do antipróton e do antinêutron. O antipróton foi realmente descoberto experimentalmente (1955) durante o espalhamento de prótons (acelerado no então maior síncrofasotron da Universidade da Califórnia) por núcleons de núcleos-alvo (o cobre serviu como alvo), como resultado do qual um par nasceu rr. Um antipróton difere de um próton em sinais de carga elétrica e seu próprio momento magnético.
Um ano depois (1956) no mesmo acelerador foi possível obter um antinêutron (N) e realizar sua aniquilação (P difere de I no sinal de seu próprio momento magnético). Se o antipróton é uma partícula estável, então o antinêutron livre, se não se aniquilar, eventualmente sofre decaimento de acordo com o esquema: 
Antipartículas também foram encontradas para pions, kaons, etc. No entanto, existem partículas que não possuem antipartículas - são as chamadas partículas verdadeiramente neutras. Estes incluem o fóton, o r°-meson e o n°-meson (sua massa é 1074 ts, tempo de vida 7 10 -19 s; decai com a formação de n-mésons e y-quanta). Partículas verdadeiramente neutras não são capazes de aniquilação, mas experimentam transformações mútuas, que são uma propriedade fundamental de todas as partículas elementares. Podemos dizer que cada uma das partículas verdadeiramente neutras é idêntica à sua antipartícula.
De grande interesse foi a prova da existência de antineutrinos, mas a busca por uma resposta à questão de saber se neutrinos e antineutrinos são partículas idênticas ou diferentes causou sérias dificuldades. No entanto, com a ajuda de muitos experimentos sutis, foi estabelecido que neutrinos e antineutrinos são partículas diferentes, e também que o par y e, ^ são partículas diferentes, e o par ele, e não é idêntico ao par V V
Após a descoberta de um número tão grande de antipartículas, uma nova tarefa surgiu na agenda - encontrar antinúcleos, ou seja, provar a existência da antimatéria, que é construída a partir de antipartículas, assim como a matéria a partir de partículas. Antinúcleos foram realmente descobertos. O primeiro antinúcleo é o antideuteron (estado ligado R e I) - foi obtido em 1965 por um grupo de físicos americanos. Posteriormente, os núcleos de anti-hélio (1970) e antitrítio (1973) foram sintetizados no acelerador de Serpukhov.
