Аннигиляция и материализация частиц

Протон и электрон — стабильные частицы. Антипротон и позитрон (антиэлектрон) не распадаются, тогда как большинство античастиц самопроизвольно распадаются через короткое время. Протон и электрон могут исчезнуть единственным способом: столкнувшись с антипротоном или позитроном. При этом происходит аннигиляция, в результате которой обе частицы превращаются в гамма-фотоны. Рассмотрим процесс аннигиляции и материализации частиц подробнее.

Аннигиляция и материализация частиц

Аннигиляция частиц

По-латински «nihil» означает «ничто», то есть аннигиляция должна была бы означать «уничтожение».

В действительности же, речь идет не об уничтожении, а о превращении. Частицы с энергией покоя (протон, антипротон, электрон, позитрон) превращаются в фотоны без массы покоя. Общее количество энергии при этом остается неизменным. Сохраняются также электрический, барионный и лептонный заряды и другие характеристики.

Аннигиляция электрона и позитрона

Приведем самые важные примеры аннигиляции частиц — аннигиляция электрона и позитрона (анти электрона):

е + е+ —> 2γ,

где греческая буква γ (гамма) обозначает гамма-фотон с энергией ½ Мэв, что составляет энергию покоя электрона или позитрона.

Аннигиляция электрона с позитроном
Рис.55. Аннигиляция электрона и позитрона в состоянии покоя. Энергия возникших гамма-фотонов равна энергии покоя электрона, а следовательно, и позитрона.

Аннигиляция протона и антипротона

Таким же образом аннигилирует протон и антипротон:

р + р~ —> 2у,

где — р~ — антипротон, а у — фотон с энергией 938 Мэв. Это энергия покоя протона или антипротона.

Аннигиляция протона с антипротоном
Рис.56. Аннигиляция протона и антипротона. Энергия покоя и кинетическая энергия обеих частиц превращается в энергию гамма-частиц. Однако она может превратиться в энергию покоя разных частиц и античастиц (см.Рис.57).
Аннигиляция частиц протона и антипротона
Рис.57

Аннигиляция протона p с антипротоном p~ (в точке А, рис.57). В результате этого возникают 4 мезона: К°, К, π+ и π°.

Мезоны К° и π° не оставляют следа, так как не имеют электрического заряда. Каон К° распадается в точке В на π и π+. π+ распадается в точке С на μ+ и νμ. μ+ распадается на е+, νe и ν~μ.

Отрицательный каон сталкивается с протоном в точке Е: К + р -> Λ° + π°; Λ° распадается в точке F на протон p и пион π. Пионы π° распадаются через короткое время на два гамма-фотона, не оставляя никакого следа.

Пион π+ сталкивается с протоном р в точке Н, при этом протон р направляется вверх, а пион π+-вниз.

Снимок был сделан в камере с жидким водородом в ЦЕРН (Женева).

Аннигиляция нейтрона и антинейтрона

Аннигиляция нейтрона и антинейтрона также образует два гамма-фотона:

n + n~ —> 2у.

Энергия гамма-фотонов здесь равна 939.5 Мэв.

Аннигиляция нейтрона с антинейтроном
Рис.58. Аннигиляция нейтрона и антинейтрона. Их энергию покоя и кинетическую энергию несут возникшие при аннигиляции фотоны.

Если же частицы обладают большой скоростью, то их общая энергия больше энергии покоя, и энергия возникших гамма-фотонов также будет больше.

Теперь нам понятно, почему антипротон, позитрон или антинейтрон земного или солнечного происхождения — частицы с коротким временем жизни. Солнце и Земля состоят из вещества, то есть из протонов, электронов и нейтронов.

Поэтому античастицы при первой своей встрече с частицами сразу же аннигилируют.

Вещество является для античастиц враждебной средой, поэтому антивещество и вещество не могут существовать рядом, в непосредственной близости.

Пока нам неизвестно, где в космическом пространстве находится антивещество. Как мы уже говорили, луч света не может нам это раскрыть, так как фотоны, излучаемые веществом, абсолютно одинаковы с фотонами, излучаемыми антивеществом.

Материализация частиц

Материализация — процесс противоположный аннигиляции. Оба этих процесса: аннигиляция и материализация частиц — играли важную роль на начальном этапе образования Вселенной.

На простом примере рассмотрим, что такое материализация частиц.

Если гамма-фотон с энергией хотя бы в 1 Мэв пролетит в тесной близости ядра атома, он превратится в электрон и позитрон. Это самый известный пример материализации частиц, который можно записать следующим образом:

γ —> е + е+

Материализация гамма-частиц вблизи протона или другой частицы
Материализация гамма-частиц вблизи протона или другой частицы. Фотон должен иметь энергию по крайней мере 1 Мэв или 1876 Мэв, достаточную для возникновения частиц с данной массой покоя.

Обратите внимание на то, что при материализации частиц электрический заряд сохраняется, заряд фотона равен нулю, а сумма зарядов обеих возникших частиц тоже равна нулю. Подобным же образом сохраняется при материализации частиц и лептонный заряд.

Если энергия фотона больше суммарной энергии покоя обеих частиц, избыток энергии превращается в их кинетическую энергию.
Чтобы возникли протон и антипротон:

у —> р + р~,

фотон должен также обладать энергией не менее 1876 Мэв, так как энергия покоя протона и антипротона равна 938 Мэв.

Ливень космического излучения

Иначе говоря, материализация означает превращение энергии в частицу с массой покоя. Энергия может быть в форме фотона, проходящего около ядра атома. Материализоваться способна и кинетическая энергия протона космического излучения.

Протон, прилетевший из космоса, может обладать кинетической энергией в биллион раз большей, чем его энергия покоя. И именно эта гигантская кинетическая энергия рождает великое множество частиц в земной атмосфере.

Такой высокоэнергичный протон из дальнего космоса (его называют примарным протоном) соударяется с ядром азота или кислорода в земной атмосфере. При этом столкновении ядро разбивается, и колоссальная кинетическая энергия протона дает рождение многим миллионам частиц и античастиц разных видов:

  • барионам и антибарионам,
  • лептонам и антилептонам,
  • мезонам и фотонам…
Примарный протон — это высокоэнергичный протон из дальнего космоса.
Ливень космического излучения - материализация частиц
Рис.59. Быстрый протон космического излучения расщепляет ядро азота или кислорода в верхних слоях атмосферы. При этом рождается большое количество частиц и античастиц, которые мы называем вторичным космическим излучением.

Все вместе эти частицы известны под названием ливень космического излучения, который служит примером материализации в большом масштабе.

Однако и на земной поверхности в ускорителях частиц происходят разные виды материализации. Например, в водородной камере быстрый протон соударяется с ядром водорода, то есть тоже с протоном, и его кинетическая энергия превращается в нейтрон, антипротон и мезон:

р + р —> р + р +n + р~ + π+

Материализация кинетической энергии двух протонов
Рис.61. Материализация кинетической энергии двух протонов в нейтрон, антипротон и положительный пион. Суммарная энергия (энергия покоя и кинетическая энергия) обоих протонов до столкновения равна суммарной энергии всех частиц после материализации.

Итак, мы видим, что при материализации электрический и барионный заряды остались прежними. Кинетическая энергия протона, прилетающего в водородную камеру, должна быть такой же или больше, чем суммарная энергия покоя возникших частиц (нейтрона, антипротона и положительного пиона).

Иначе говоря, она должна быть равной или больше, чем 939.5 Мэв + 938.2 Мэв + 139.6 Мэв = 2017.3 Мэв. Кинетическая энергия в 2017.3 Мэв материализовалась, то есть превратилась в энергию покоя нейтрона, антипротона и пиона. Избыток энергии протона из ускорителя распределяется между возникшими частицами.

Аннигиляция и материализация частиц играла важную роль на начальном этапе образования Вселенной (Большой взрыв), то есть примерно десять миллиардов лет назад.

Сейчас материализация частиц присутствует везде, где появляются высокоэнергичные частицы, кинетическая энергия которых может материализоваться:

  • при столкновениях космических лучей в межзвездном пространстве,
  • в ливнях космического излучения в атмосфере Земли и других планет,
  • в ускорителях частиц и т. п.

Жизнь элементарных частиц

Не только живые существа и предметы имеют свою историю, но и элементарные частицы. Они:

  • рождаются,
  • взаимодействуют с другими частицами и образуют с ними системы,
  • движутся и получают кинетическую энергию или, наоборот, отдают свою собственную энергию покоя.
Судьба протона после Большого взрыва
Рис.62. Судьба протона после Большого взрыва (1). Протон может аннигилировать (5); соединиться с электроном в атом нейтрального водорода (2); стать составной частью глобулы (6)… продолжение на следующем рисунке.

В конце концов, через некоторое время (короткое или бесконечно долгое) они умирают и передают свои свойства (энергию, спин, электрический, барионный и лептонный заряды) своим потомкам, на которые они распались. Такова жизнь элементарных частиц.

Судьба протона после Большого взрыва
Рис.62-2.

Рис.62-2. Судьба протона после Большого взрыва (1). Протон может стать составной частью звезды (7-9), а потом постепенно слиться с другими протонами в ядро гелия (9), углерода, кислорода и т.д. и, наконец, железа (10). Эти превращения — источник звездного излучения (11). Затем звезда коллапсирует и превращается в нейтронную звезду — пульсар (12), при этом выделяется огромное количество энергии — вспышка сверхновой звезды (13). В этом процессе протоны превращаются в нейтроны (12). Нейтронная звезда очень быстро вращается и ускоряет протоны, космического излучения, попадающего позже в атмосферу Земли (14).

Возникновение элементарных частиц

Все частицы и античастицы могут возникнуть в результате материализации фотонов или кинетической энергии высокоэнергичных частиц. Третий способ их возникновения — распад тяжелых частиц.

В качестве примера приведем распад нейтрона на

  • протон, электрон и антинейтрино,
  • далее распад пионов на мюоны, мюонное нейтрино и мюонное антинейтрино
  • и, наконец, распад мюонов на электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино, мюонное нейтрино и мюонное антинейтрино.

При всех распадах энергия покоя частиц (нейтрона, пиона и мюона) дробится на энергию покоя двух или трех рождающихся частиц. Остаток этой энергии распадающейся частицы возникшие частицы получают в виде кинетической энергии.

История элементарных частиц

Во Вселенной каждое тело живет в своем времени, и элементарные частицы тоже. Время жизни большинства частиц очень короткое. Сразу же после своего рождения они распадаются, поэтому мы называем их нестабильными частицами. Все эти частицы через короткое время распадаются на частицы стабильные:

  • протоны,
  • электроны,
  • нейтрино
  • и фотоны.

Самые важные частицы в нашем близком космосе — протоны и электроны.

Какие-нибудь из отдаленных частей Вселенной могут состоять из антивещества, важнейшими частицами там будут антипротон и антиэлектрон (позитрон). Здесь мы сосредоточим свое внимание только на частицах близкого космоса. Но наши заключения легко распространить на область антивещества в отдаленных частях Вселенной.

Появление протонов и электронов относится ко времени Большого взрыва, и их возраст насчитывает приблизительно десять миллиардов лет. Третий вид частиц, играющих существенную роль в структуре близкого космоса, — нейтроны.

Сами по себе нейтроны — частицы нестабильные, они распадаются примерно через десять минут после возникновения. Стабильными они могут быть только в ядре атома. Громадное количество нейтронов беспрестанно возникает в глубинах звезд, где из протонов рождаются ядра атомов.

Во Вселенной также постоянно происходит рождение нейтрино и мюонных нейтрино, которые возникают при превращении протонов в нейтроны, в недрах сверхмассивных звезд и при распаде многих нестабильных частиц. Они рождаются в космических ливнях в нашей атмосфере, при столкновении космических лучей в межзвездном пространстве.

Большой взрыв повлек за собой появление огромного количества нейтрино и мюонных нейтрино. Их число в космосе постоянно увеличивается, потому что они не поглощаются практически никакой материей. Как и фотоны, нейтрино и мюонное нейтрино заполняют все космическое пространство. Это так называемое «нейтринное море«.

Нейтринное море — это заполнение космического пространства огромным, постоянно увеличивающимся количеством нейтрино и мюонных нейтрино.

Фотоны возникают при распаде некоторых нестабильных частиц, напр. нейтральных пионов:

π° —> 2у.

Со времени Большого взрыва осталось великое множество фотонов, которые мы называем реликтовыми или фоссильными.

Ими наполнено все космическое пространство, и их частота (а значит и энергия) постоянно уменьшается, так как Вселенная расширяется. В настоящее время все космические тела, прежде всего звезды и туманности, участвуют в образовании фотонной части Вселенной. Фотоны рождаются на поверхности звезд из энергии электронов.

Фоссильные фотоны (или реликтовые фотоны) — называются фотоны, которые остались еще со времени Большого взрыва.

В начальной стадии образования Вселенной все частицы были свободными. Тогда не существовало ни ядер атомов, ни планет, ни звезд. Эти системы образовались позднее, когда прошло 300 000 лет и раскаленная материя при расширении в достаточной мере охладилась.

Лишь нейтрино, мюонное нейтрино и фотон не вошли ни в одну систему: их взаимное притяжение слишком слабо. Они так и остались свободными частицами.

Еще на начальном этапе образования Вселенной (через 300 000 лет после её рождения) свободные протоны и электроны соединились в атомы водорода (один протон и один электрон, связанные электрической силой). При этом энергия покоя частиц (938.2 Мэв + 0.5 Мэв = 938.7 Мэв) уменьшилась на 13 эв. В данном случае, как мы видим, электромагнитное взаимодействие „вычерпало» из частиц приблизительно одну стомиллионную долю их энергии покоя.

Протоны, очутившиеся в массивной звезде, постепенно превратились в железо. Каждый протон при этом освободил один процент своей массы покоя (9 Мэв из 938 Мэв).

В сверхмассивных звездах, которые в конце своей жизни в результате собственной гравитации сжимаются в малые объемы, протон может потерять почти пятую часть своей энергии покоя (а значит, и пятую часть своей массы покоя).

Наконец, при встрече протона и антипротона не возникает никакой системы, но вся их энергия покоя освобождается в виде фотонов (аннигиляция).

Ранее мы писали о том, что элементарные частицы подвергаются разнообразным превращениям. В результате движения их энергия может увеличиться, а при объединении их в какую-либо систему она, наоборот, уменьшается.

Нестабильные частицы (например, нейтрон, гиперон) самопроизвольно распадаются на более легкие, но в условиях большой плотности и они становятся стабильными (например, нейтроны в ядре или в нейтронной звезде, гипероны в гиперонной звезде. И наоборот, стабильные частицы (протон, электрон) при соударении со своей античастицей аннигилируют.

При большой плотности нестабильные нейтроны превращаются в стабильные гипероны. Таким образом, мы видим, что в нашей Вселенной ничему не обеспечена гарантия неизменного существования, если ее лишены даже самые основные структурные единицы, которыми являются стабильные элементарные частицы. Такова история элементарных частиц.

 

Оцените статью
Добавить комментарий