12.6.2 Античастицы, аннигиляция

В 1928 г. П. Дираком было получено релятивистское волновое уравнение для электрона, которое позволило объяснить все основные свойства электрона, в том числе наличие у него спина и магнитного момента. Замечательной особенностью уравнения Дирака оказалось то, что из него для полной энергии свободного электрона получались не только положительные, но и отрицательные значения. Этот результат мог быть объяснен лишь предположением о существовании античастицы электрона — позитрона.

Гипотеза Дирака, недоверчиво воспринимавшаяся большинством физиков, была блестяще подтверждена в 1932 г. К. Андерсеном [американский физик (р. 1905); Нобелевская премия 1936 г.], обнаружившим позитрон в составе космического излучения. Существование позитронов было доказано наблюдением их треков в камере Вильсона, помещенной в магнитном поле. Эти частицы в камере отклонялись так, как отклоняется движущийся положительный заряд. Опыты показали, что позитрон е —частица с массой покоя, в точности равной массе покоя электрона, и спином ½ (в единицах ), несущая положительный электрический заряд +е.

При столкновении позитрона с электроном происходит их аннигиляция - процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которого они превращаются в -кванты (фотоны) электромагнитного поля или в другие частицы:

е +

В результате электронно-позитронная пара превращается в два -кванта, причем энергия пары переходит в энергию фотонов. Появление в этом процессе двух  -квантов следует из закона сохранения импульса и энергии.

Электрон и позитрон не являются единственной парой частица — античастица. На основе релятивистской квантовой теории пришли к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица (принцип зарядового сопряжения). Эксперименты показывают, что, за немногим исключением, действительно каждой частице соответствует античастица.

Из общих положений квантовой теории следует, что античастица частицы а — элементарная частица , имеющая с частицей а равную массу покоя, время жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды и магнитные моменты, одинаковый спин и изотопический спин, а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам для описания закономерностей их взаимодействия. До 1956 г. считалось, что имеется полная симметрия, между частицами и античастицами, т. е. если какой-то процесс идет между частицами, то должен существовать точно такой же (с теми же характеристиками) процесс между античастицами. Однако в 1956 г. было доказано, что подобная симметрия характерна только для сильного и электромагнитного взаимодействий и нарушается для слабого.

Расчеты показывают, что для создания пары частица — античастица надо затратить энергию, превышающую удвоенную энергию покоя пары, поскольку частицам необходимо сообщить весьма значительную кинетическую энергию. Для создания (р - ) -пары необходима энергия примерно 4,4 ГэВ. Антипротон был действительно обнаружен экспериментально (1955) при рассеянии протонов на нуклонах ядер мишени.