19.3 Частицы и античастицы

Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону - позитрон, протону- антипротоннейтрону– антинейтрони т.д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.

В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов -электрического, барионного, лептонного, странности , с которыми связаны определенные законы сохранения (подробнее об этом в дальнейшем), а также проекцией спина. Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.

В некоторых случаях частица не имеет античастицы. Она называется абсолютно нейтральной. К таким частицам относятся, например, фотон ,– мезон и– мезон.

При столкновении частицы с античастицей они взаимно уничтожаются, превратившись в новые частицы. Такой процесс называется аннигиляцией. Процесс, обратный аннигиляции, называется рождением пар.

Например, при встрече позитрона с электроном они аннигилируют – происходит превращение

, (19.4)

в котором исчезает электрон-позитронная пара, а вместо нее образуются два – кванта. Процесс рождения пары – превращение– кванта в парубыл рассмотрен ранее (см. формулу 19.3). Следует отметить, что для этого процесса необходимо, чтобы энергия– кванта была не меньше собственной энергии пары, и он может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса.

При аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно – мезоны (доля– квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц – адронов – сильным взаимодействием.

Так, например, антипротон может аннигилировать при встрече не только с протоном, но и с нейтроном. Возможны следующие превращения:

,

. (19.5)

В 1956 году на ускорителе в Беркли Б. Корком, Г. Ламбертсоном и др. впервые наблюдались антинейтроны, которые получились перезарядкой антипротонов, т.е.

,

. (19.6)

Наконец рассмотрим, чем отличается нейтрино от антинейтрино. У них различный знак спиральности. Под спиральностью понимается определенное соотношение между направлениями импульсаи спиначастицы. Спиральность считается положительной, если, т.е. спин и импульс сонаправлены. В этом случае направление движения частицы и направление «вращения», соответствующего спину, образуют правый винт. При противоположно направленных спине и импульсе () спиральность будет отрицательной, то есть имеем левый винт. Очевидно, что спиральность можно определить как знак скалярного произведения спина и импульса. Нейтриноимеет левую (отрицательную) спиральность, антинейтрино– правую (положительную).

19.4 Странные частицы

–мезоны и гипероны ( ) были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х годов. Начиная с 1953 года их получают на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что они были названыстранными.

Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий и время жизни их должно было быть порядка 10^-23 с. На опыте же было обнаружено, что их время жизни в 10¹³ раз больше и оказалось порядка 10^-8÷10^-10 с. Это обстоятельство указывало на то, что распад частиц происходит за счет слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго, что мешает им распадаться за счет сильного взаимодействия, в результате которого они возникают. Например, один из процессов рождения странных частиц имеет вид:

, (19.7)

а распад -гиперона идет по схеме

. (19.8)

Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами.

Для количественного описания парного рождения и медленного распада странных частиц М. Гелл-Манн и К.Нишиджима ввели новое квантовое число – странность. Суммарное значение числадолжно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях странность может не сохраняться. Поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам. Так, для– мезонов, а для– гиперонов. Следовательно, процесс (19.7) идет с сохранением странности (суммарная странность как исходных, так и образовавшихся частиц равна нулю), а в ходе процесса (19.8) странность изменяется на единицу.

Сохранение странности оказалось первым примером «частично сохраняющейся» величины: странность сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях и не сохраняется в слабых. В слабых взаимодействиях странность может меняться на . Закон сохранения странности является приближенным, а не точным законом.

Поведение странных частиц можно объяснить, если считать, что частицы имеют странность, частица- гиперони- гиперон -. У соответствующих античастиц странность одинакова по модулю, но противоположна по знаку.