ГЛАВА 2. Антивещество и его свойства

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 9 

В прошлой главе мы говорили о том, как возникла идея Антимира и как была обнаружена первая античас­тица — позитрон. Однако мы до сих пор не дали опреде­ления, что же такое античастицы, чем они отличаются от обычных частиц и каковы их свойства? Это упущение бу­дет ликвидировано в настоящей главе. Но сначала мне хотелось бы сделать еще одно историческое отступление и рассказать о том, как были открыты другие элементар­ные «кирпичики» Антимира. Так что в этой главе речь пойдет в основном о работе физиков-экспериментаторов,

ЭКСПЕРИМЕНТАТОРЫ И КИНОЗВЕЗДЫ

Когда говорят о современной экспериментальной фи­зике высоких энергий, обычно отмечают, что далеко в прошлое ушли те благословенные времена, когда пре­

краснодушные жрецы науки с помощью «сургуча и вере­вочки» открывали фундаментальные законы. Утверждают также, что время одиночек в науке прошло и теперь она делается, так сказать, «поротно»: большой коллектив «доцентов с кандидатами» наваливается на проблему и все сообща решают ее в два счета. Мне думается, что такие взгляды неверны, и идут они от непонимания, как на самом деле выполняются современные экспери­менты.

На мой взгляд, лучше всего сравнить эксперименталь­ную физику высоких энергий с киноиндустрией. Автору не приходилось бывать ни на одной из киностудий стра­ны, но так как о кино пишут несравненно больше, чем о физике высоких энергий, то он знает, что сейчас худо­жественный фильм создается большим коллективом лю­дей: актеров, операторов, художников, монтажеров, кос­тюмеров и, конечно, каскадеров. Он знает, что для уча­стия в съемках подчас привлекаются целые воинские подразделения, пожарные и хоккейные команды. Однако у истоков фильма стоят всего лишь несколько человек, которые предлагают сценарий и разрабатывают способы его художественного воплощения.

Точно такое же положение и в экспериментальной фи­зике. Хотя сейчас группы экспериментаторов обычно на­считывают несколько десятков физиков, а для создания необходимой аппаратуры требуется порой работа боль­ших заводов, тем не менее саму идею опыта и способы его осуществления предлагают тоже всего лишь два-три че­ловека.

Другое дело, трудно себе представить, чтобы в титрах фильма не было указано, кто главный режиссер, кто главный оператор, кто актеры, а просто давался бы спи­сок в алфавитном порядке. В физике это обыкновенное дело, и когда кто-нибудь из руководителей эксперимента ставит свою фамилию впереди длинного списка соавторов, такие вещи воспринимаются как дурной тон. А ведь ру­ководитель эксперимента, как и главный режиссер филь­ма, несет огромную ответственность. Хотя бы потому, что стоимость современного опыта в физике высоких энергий сравнима со стоимостью полнометражной картины — не­сколько миллионов рублей.

Но нам пора возвращаться к античастицам, и мне хо­чется закончить наше сравнение кино и физического эк­

сперимента одной забавной историей, которая связана и с античастицами, и с Полем Дираком, и, наверное, с влиянием кино на физиков.

Дело было в 1975 году. Надо сказать, этот период был исключительно насыщен чрезвычайно важными открыти­ями в физике высоких энергий. Они многое изменили в на­шей картине мира. К сожалению, мы не можем подроб­но остановиться на значении этих фундаментальных от­крытий. Заметим только, что значительная часть новых сведений была получена при изучении аннигиляции элек­тронов и позитронов высокой энергии, где нашли целое семейство новых частиц с совершенно экзотическими свойствами.

К тому же появились сообщения об обнаружении в космических лучах магнитного монополя.

Существование магнитного монополя — частицы с од­ним (!) магнитным полюсом — было впервые предсказа­но Дираком в 1931 году. С тех пор экспериментаторы без­успешно пытались обнаружить монополь в опытах на ускорителях

. Поэтому весть об открытии монополя в космических лучах стала одной из главных научных сен­саций 1975 года.

Одним словом, за короткое время было получено очень много новых данных, и физики с нетерпением ожи­дали очередной международной конференции по физике высоких энергий, которая в этот раз должна была состо­яться в американском городе Стэнфорде. Была на этой конференции и делегация Объединенного института ядер­ных исследований в Дубне. По возвращению домой, как обычно, на общеинститутском семинаре состоялся доклад руководителя нашей делегации о том, как прошла конфе­ренция.

Интерес к этому семинару был необычайно велик, и центральная аудитория института была полностью запол­

йена. Докладчик сначала немного рассмешил аудиторию рассказом о том, что новые частицы, которые были от­крыты почти одновременно двумя группами эксперимен­таторов, стали предметом некоторой филологической борь­бы. Одна группа назвала их ф-частицами, другая J-части-цами. Почему-то в литературе более употребительным стало первое название — пси-частицы. Но эксперимента­торы из второй группы не сдавались и всячески реклами­ровали свое название. Дело дошло до того, что они зака­зали себе особые майки, на которых была нарисована большая буква J и под ней—масса частицы — 3,1 ГэВ. Именно в такой майке лидер этого эксперимента и сде­лал доклад на конференции.

Поведав об этом казусе, наш докладчик стал перечис­лять все свойства новых частиц, добросовестно рассказы­вая, как они были определены и почему отпадают все дру­гие гипотезы. Но новой информации было так много, что прошло уже три часа, а докладчик все говорил и говорил.

—Про монополь расскажите!—закричали наконец наиболее нетерпеливые.

Товарищи, обязательно расскажу. Но давайте все по порядку! — отвечал докладчик.

А много еще осталось? — спрашивали подавлен­ные лавиной фактов слушатели.

Я вообще планировал показать 49 слайдов. Но, наверное, придется немного подсократиться,— невозму­тимо отвечал докладчик.

Пожалуйста, пропустите слайд номер 26, и перей­дем сразу к обсуждению рисунка номер 27.

Аудитория застонала. Все окончательно потеряли на­дежду, когда минут через пять лектор ослабил галстук и снял пиджак, как бы давая понять, что он намерен еще долго испытывать терпение слушателей. Но еще через пять минут он почему-то совсем снял галстук. Народ на­сторожился. А когда, не переставая говорить, докладчик начал расстегивать пуговицы на рубашке, зал притих. Даже те, кто нечаянно вздремнул под его монотонный голос, проснулись и с удивлением пытались понять, что же происходит.

Лектор невозмутимо раздевался. Со словами: «А те­перь я хочу показать вам последнюю картинку!» — он скинул рубашку и остался в желтой майке, на которой была написана буква J и ниже — 3,1 GeV. Зал взорвался аплодисментами.

Вот так отдельные веяния кинематографа проника­ют даже в академическую атмосферу физического семи­нара.

ОТ АНТИПРОТОНА К АНТИТРИТИЮ

Как вы помните, мы уже приводили пророческие сло­ва Дирака об антипротоне. Он предсказал его существо­вание еще в 1931 году. В самом деле, протон, как и электрон, имеет спин 1/2, то есть должен описываться релятивистским уравнением Дирака. Следовательно, у протона тоже есть возможность перепрыгнуть в область отрицательных энергий. Чтобы такого не происходило, согласно теории дырок надо заполнить все уровни с от­рицательной энергией. Тогда дырка в «море» протонов отрицательной энергии и есть антипротон.

Пока что наши рассуждения ничем не отличаются от тех, которые мы приводили для электронов. Однако до­вольно скоро было обнаружено, что протоны не совсем дираковские частицы. Дело в том, что уравнение Дира­ка справедливо для точечных частиц, то есть для час­тиц без внутренней структуры. Протон же представляет собой довольно сложное образование, и поэтому некото­рые его характеристики отличаются от величин, которые предсказывает теория Дирака.

Интересно, что после открытия позитрона отрицатель­ное отношение к теории Дирака сменилось у теоретиков настолько безграничной верой в ее предсказания, что на­ходчивые экспериментаторы не преминули этим восполь­зоваться. Отто Штерн, собираясь провести измерения магнитного момента протона, * заключил с некоторыми теоретиками пари о том, какое число будет получено в его эксперименте. Все теоретики, не сговариваясь, напи­сали то значение магнитного момента протона, которое следует из теории Дирака. Они были неприятно удивле­ны, когда оказалось, что магнитный момент протона поч­ти в три раза больше той величины, которая предсказы­вается теорией Дирака. Это различие возникает как раз за счет сложной внутренней структуры протона.

* О том, что такое магнитный момент, будет рассказано в этой главе, но только чуть позже.

Протон приблизительно в 2000 раз тяжелее электро­на. Поэтому, чтобы родить пару антипротон—протон, нужен гамма-квант гораздо большей энергии, чем в слу-

3 3-195

чае рождения электрон-позитронной пары. Кроме того, антипротон намного сильнее позитрона взаимодействует с веществом. Это приводит к тому, что те немногие ан­типротоны, которые образуются в космических лучах, быстро аннигилируют, когда попадают в атмосферу. В этом смысле в отличие от позитронов антипротоны «с неба не падают». И физикам пришлось добывать их «своими руками» на ускорителях. Построить же уско­ритель, разгоняющий частицы до столь высокой энер­гии, оказалось довольно сложным делом. Поэтому между предсказанием антипротона и его открытием прошло по­чти четверть века.

Только в 1955 году Э. Сегре, О. Чемберлен, К. Виганд и Т. Ипсилантис объявили об открытии антипротона. Прошло еще 10 лет, и группа фиаиков, возглавляемая Л. Ледерманом, открыла антидейтрон. Тем самым была доказана фундаментальная вещь: античастицы могут связываться в ядра так же, как и обычные частицы. Хо­тя до настоящего времени мы не знаем многих характе­ристик антиядер, физики твердо верят в то, что они подобны характеристикам обычных ядер. Косвенным ар­гументом в пользу этого служат и открытия ядер антиге­лия и антитрития, сделанные на ускорителе Института физики высоких энергий в Протвино. Там в 1970 году группа физиков под руководством члена-корреспондента АН СССР Ю. Д. Прокощкица обнаружила пять антиядер изотопа гелия — гелия-3 (3Не). Гелий-3 содержит два протона и один нейтрон. Антигелий-3 — соответственно два антипротона и один антинейтрон. Через три года группа В. И. Петрухина и В. И. Рыкалина получила и другое антиядро — антитритий (3Н). Антитритий состоит из двух антинейтронов и одного антипротона.

Все эти эксперименты по обнаружению частиц Анти­мира имеют много общего. Во-первых, это поисковые опыты. То есть опыты, призванные дать четкий ответ — да или нет. Потом уже другие эксперименты позволят оп­ределить всевозможные характеристики явления. Пока что надо «просто» показать, что оно есть — существует. Обычно такие опыты проводятся в самом начале работы нового ускорителя. Когда перед физиками открывается возможность поработать в новом диапазоне энергий, то в первую очередь ищется, не лежит ли здесь что-нибудь совсем новенькое. Поэтому открытие антиядер всегда про­исходило в первых опытах на новых ускорителях. Так,

антипротон был обнаружен в самом начале работы ускорителя в Беркли (США), который чуть ли не для этого и был построен. Антидейтрон появился на новом ускорителе ЦЕРНа (Европейского центра по ядерным ис­следованиям) в Женеве. Когда же ввели в строй Серпу­ховской ускоритель, то одним из первых был опыт по обнаружению антигелия-3.

Старожилы Серпухова любят вспоминать это время, потому что ясно видно, как далеко шагнула наука за какие-нибудь 10—15 лет. Тогда же не было ни совре­менной электроники, ни громадных детекторов, ни мощ­ных компьютеров. Физики из Дубны смонтировали свою электронную аппаратуру для первых опытов прямо в ав­тобусе. Автобус просто заезжал в экспериментальный зал серпуховского ускорителя, подключали питание и на­чинали работать.

Кроме поискового характера, все эксперименты по обнаружению античастиц были похожи друг на друга еще и потому, что осуществлялись они на основе одних и тех же идей.

Мы уже знаем, что так как античастицы всегда рож­даются в паре с частицами, то для получения античас­тицы с массой М нужно затратить энергию по крайней мере 2Af. Стало быть, надо разогнать протон до нужной энергии и ударить по какой-нибудь ядерной мишени. При взаимодействии протона с ядром могут родиться не только наша искомая античастица с массой М, но и дру­гие, более легкие частицы и античастицы. Причем чем меньше масса у частицы, тем легче ее родить и тем боль­ше таких частиц будет вылетать из мишени. Лишь иног­да при столкновении протона с ядром вся энергия не раздробится, не расплещется, а будет сосредоточена на рождении двух тяжелых частиц

. Поэтому задача эк­спериментатора состоит в том, чтобы выловить редкое событие рождения антиядра из целого потока вторичных частиц.

* Весьма важное значение для образования таких составных си­стем, как антиядра, имеет не только величина массы антиядра, но и степень связанности системы. Ясно, что если система «рыхлая», то есть связь между ее элементами слаба, то такую систему тоже слож­но образовать в столкновениях частиц.

На практике идентифицировать античастицу означа­ет определить ее заряд и массу. Выбрать частицы с нуж-

Подпись: р


Тут делают следующее. Формируют пучок частиц с одинаковым импульсом. Для этого просто выводят час­тицы из магнита только в определенном месте, потому что степень отклонения частицы магнитом зависит от ее импульса. Чем больше импульс, тем меньше откло­нение.

Но вот получили мы пучок с одинаковым импульсом. По определению импульс= массах скорость.

Если у частиц импульс одинаковый, а масса разная, то и скорости должны быть разными. Более тяжелые частицы будут иметь меньшую скорость. Значит, одно и то же расстояние они будут проходить медленнее, чем более легкие частицы. Вот физики и измеряют время, за которое частица пролетает какое-то фиксированное рас­стояние, которое называется базой.

Итак, импульс задают, измеряют время пролета, от­сюда находят скорость и, следовательно, массу.

Таким образом, идея опытов по поиску античастиц и антиядер довольно проста. Другое дело — конкретное выполнение этой нехитрой «задумки». Трудность номер один состоит в том, что для того, чтобы «взвесить» анти­частицу, вы должны научиться измерять время пролета базы с очень хорошей точностью. Размеры базы доволь­но внушительны. В опыте в Беркли длина «дорожки», на которой определялись времена пролета антипротонов, была порядка 20 метров. В Серпухове ядра антитрития «бежали» уже на дистанцию в 102 метра, то есть длина базы была сравнима с длиной футбольного поля.

Скорости античастиц колоссальны. Например, анти­тритий летит со скоростью, отличающейся от скорости света лишь в третьем знаке. Поэтому базу, которая была использована в опытах на серпуховском ускорителе, ои пролетает меньше, чем за миллионную долю секунды. На самом деле от экспериментаторов требуется умение из­мерять еще более короткие промежутки времени. Ведь первыми базу пролетают легкие частицы — пи-мезоны, затем уже приходят антипротоны и только после них по­являются антиядра. Так вот разность по времени между прилетом пи-мезонов и антиядер фантастически мала — она порядка миллиардной доли секунды!

Другая трудность, которая подстерегает охотников за античастицами, состоит в том, что они ищут исключитель­но редкий процесс. Так мы говорили, в реакциях рожде­ния гораздо более часто образуются легкие частицы, а ве­

роятность возникновения тяжелой частицы резко падает с ростом ее массы. Поэтому чем тяжелее античастица, которую вы желаете получить, тем больше легких частиц должна отбросить ваша аппаратура. Если сравнить до­бычу античастиц с сортировкой картофеля, то для полу­чения одного антипротона каждый член группы Эмилио Сегре должен был отсортировать 15 тысяч вторичных частиц, добытчики антидейтрона выбрасывали с «транс­портера» уже по 6 миллионов, а старатели из Серпухо­ва — и вовсе астрономическую цифру, по 20 миллиардов фоновых частиц в расчете на каждого соавтора.

Так что поиск антиядер — занятие исключительной трудоемкости. Очевидно, из-за этого уже более десяти лет физики не «выдали на-гора» ни одного нового анти­ядра. Между тем энергия современных ускорителей на­столько велика, что позволяет в принципе рождать даже ядра антиуглерода.

Помимо тех основных трудностей, которые мы приве­ли выше, в опытах по рождению антиядер были и дру­гие, «мелкие неприятности», которые тем не менее так­же сильно осложняли проведение экспериментов. Напри­мер, была сложность такого характера. Для того, чтобы добыть хотя бы одно антиядро, требуются месяцы бес­прерывной работы ускорителя. Значит, ваша электрон­ная аппаратура должна тоже работать круглые сутки, бесперебойно, в течение нескольких месяцев. Однако по­ведение экспериментальной установки подчиняется своим собственным суровым законам, самый оптимистический из которых гласит: «С течением времени любая часть вашего оборудования, которая может испортиться,— портится, а та часть, которая не может испортиться,— портится тоже». Эти законы нельзя обойти, к ним можно лишь как-то приспособиться. То есть необходимо вести постоянный контроль за параметрами установки, чтобы всегда можно было знать, какой ее элемент начинает работать неверно.

Итак, можно сказать, что эксперименты по поиску ан­тичастиц и антиядер — это сложные, достаточно громозд­кие по своим масштабам опыты, требующие создания самой современной аппаратуры и занимающие довольно длительное время на ускорителе. И как же оцениваются результаты всей этой деятельности?

За открытие антипротона была присуждена Нобелев­ская премия. Физическая общественность также высоко

расценила и получение антидейтрона — это было первое доказательство того, что ядерные взаимодействия между античастицами не отличаются от ядерных взаимодейст­вий частиц. Однако обнаружение антитрития уже даже не было официально зарегистрировано как открытие. Авторам работы было сказано, что они не нашли чего-то принципиально нового и неожиданного. Таким обра­зом, можно считать, что существование антиядер сейчас полагается саморазумеющимся и, так сказать, юриди­чески узаконенным.

В этом плане становится ясно, почему один из руко­водителей серпуховского эксперимента по поиску анти­трития В. И. Петрухин озадачил корреспондента жур­нала «Наука и жизнь» таким заявлением: «Научного содержания в нашей работе нет. Так, иллюстрация на тему: что может сегодня физика». Корреспондент решил, что «Валентин Иванович просто бравировал. Вообще с физиками это бывает...»

На самом деле никакой бравады не было. Представь­те себе, что вы затрачиваете колоссальные усилия для того, чтобы получить результат, который заведомо все­ми ожидается. Опыт по антитритию не давал практи­чески никакой научной информации, кроме двух слов: «Антитритий есть (или нет)». В нем не было измерений всевозможных угловых, энергетических, импульсных рас­пределений. Отсутствовал скрупулезный теоретический анализ. Можно сказать про такую работу, что в ней нет научного содержания?

Во время эксперимента по поиску антитрития один раз возникло критическое положение. Подошел конец года, надо было просить время для работы на ускорите­ле на следующий год, а в активе у группы было только два ядра антитрития. Вроде бы и что-то обнаружено, но эффект явно мал. Обсуждение в дирекции Института физики высоких энергий вопроса о том, стоит ли давать время на ускорителе для поиска антитрития, протекало довольно бурно. Высказывали как раз те аргументы, ко­торые приводились выше. Тут уж проблема о научном со­держании работы встала отнюдь не абстрактно. Все решило мнение тогдашнего директора ИФВЭ, а ныне ви­це-президента Академии наук СССР, академика А. А. Ло­гунова. Эксперимент был продолжен, за три месяца рабо­ты обнаружили еще два ядра антитрития, и хотя кажет­ся, что нет большой разницы между двумя и четырьмя

ядрами, но точные вычисления показывают, что вероят­ность имитации четырех ядер антитрития фоновыми час­тицами пренебрежимо мала. Таким образом, теперь мож­но было надежно утверждать о регистрации антитрития.

Так почему все же сочли поиск антитрития достойным занятием? Мне кажется, никогда не надо забывать, что все-таки устройство природы не зависит от наших убе­ждений. Даже если мы очень сильно во что-то поверили, от этого в реальном мире ничего не изменится. Мы всег­да должны проверять даже самые очевидные для нас вещи. История физики знает массу примеров, когда воз­никала сильная оппозиция проведению экспериментов, направленных на проверку положений, считающихся об­щепризнанными. Стремление выдать свои убеждения за закон природы всегда было очень сильно.

Нобелевский лауреат Сэмюэль Тинг, один из откры­вателей J/ф-частиц, о которых мы уже упоминали, рас­сказывал, что во время подготовки своего исторического опыта ему пришлось испытать большую критику. Мно­гие известные физики недоумевали, зачем строить такую дорогостоящую установку с такими высокими парамет­рами. «Она может пригодиться только для изучения ис­ключительно узких резонансов

, а их в природе нет»,— говорили они. Действительно, узких резонансов, как частицы, в природе не было, вот Тинг их и открыл!

Самый яркий пример, когда эксперимент поверг в пух и прах все, казалось бы, твердо установленные по­ложения, представляет собой история открытия наруше­ния CP-инвариантности. Мы будем детально обсуждать этот эффект в главе 5, а сейчас только скажем, что до 1964 года физики были почти абсолютно уверены в том, что все законы природы не изменятся, если поменять частицы на античастицы (С-преобразование) и одновре­менно заменить левое на правое (Р-преобразование). Это и называется CP-инвариантность. Так вот, в 1964 году был выполнен эксперимент, который в конечном счете полностью похоронил стройную и весьма привлекатель­ную теорию абсолютного сохранения СР.

В заключение нашего рассказа о поисках античастиц на ускорителях мне хотелось бы обратить внимание чи­тателя на то, что сама схема этих опытов при всей своей принципиальной простоте отнюдь не очевидна. Ведь, ка­залось бы, гораздо логичнее искать античастицы по их характерному признаку — аннигиляции с веществом, не­жели измерять время пролета античастицей некоторого фиксированного расстояния. Однако самое логичное не всегда является самым простым и целесообразным. Поэ­тому Нобелевский комитет, присуждая премию по физи­ке Э. Сегре и О. Чемберлену, особо отметил те ориги­нальные, остроумные методы детектирования и анализа, которые они использовали для обнаружения антипро­тона.

К сожалению, у славы есть и оборотные стороны. Один из довольно известных физиков, О. Пиччиони, воз­будил судебное дело против Сегре и Чемберлена, пыта­ясь доказать, что именно он первым предложил способ обнаружения античастиц по времени пролета. Пиччио­ни этот процесс проиграл, что совершенно справедливо. Ибо одно дело выдвинуть идею, а другое — воплотить ее в реальность. Вспомним все те громадные сложности, ко­торые пришлось преодолеть первооткрывателям антипро­тона, и станет совершенно ясно, насколько беспочвенны притязания Пиччиони на роль «отца» антипротона.

СВОЙСТВА АНТИЧАСТИЦ

Наконец-то мы приступаем к той части нашей темы, которая по логике вещей должна была находиться в са­мом начале книги об антивеществе. А именно к опреде­лению, что же мы называет античастицей и каковы основные свойства антивещества.

Существуют совершенно общие физические принципы, из которых следует, что у каждой частицы должен быть двойник — античастица. Более того, те же самые общие принципы предписывают, что свойства частиц и античас­тиц должны быть связаны между собой вполне опреде­ленным образом. Мы подробно рассмотрим эту связь чуть позже, а сейчас обратимся к самой главной отличи­тельной черте античастиц — способности к аннигиляции.

В буквальном переводе слово «аннигиляция» означа­ет «превращение в ничто». Физики употребляют этот тер­мин для обозначения такой реакции, в которой частица

и античастица превращаются либо в излучение (то есть в фотоны), либо в другие частицы. Вообще говоря, в фи­зике высоких энергий есть сколько угодно процессов, когда одни частицы переходят в другие. Но только в про­цессах аннигиляции исчезают обе начальные частицы. Конечно, они исчезают не в буквальном смысле, превра­щаясь в «ничто», а переходят в любые другие элемен­тарные частицы, рождение которых разрешено законами сохранения.

Характерный пример — аннигиляция электрона и по­зитрона

е+ + е~ -* V + ?•

Заметим, что в такой реакции не может возникнуть только один гамма-квант. Этому препятствует закон со­хранения импульса (рис. 22). С точки зрения дираков-ской теории дырок процесс аннигиляции напоминает ис­пускание света атомами. Ведь аннигиляция, по Дира­ку, — это переход электрона из состояния с положи­тельной энергией в свободное состояние с отрицатель­ной энергией — позитронную дырку. В атоме при пере­ходе электрона из одного состояния с положительной энергией в другое фотоны уносят освободившуюся энер­гию. Точно так же происходит и при аннигиляции — из­быток энергии уносится гамма-квантами.

Совсем не обязательно, чтобы при аннигиляции воз­никли только у-кванты. Если ускорить начальные элект­роны и позитроны, то можно получить все, что угодно (разумеется, не противоречащее законам сохранения). Например, я-мезоны:

е+ + е~   л+ + п~.

Знакомые нам ^-частицы тоже были впервые обнару­жены в реакции аннигиляции:

е+ + е-   г|) + все остальное.

Что же еще мы знаем об античастицах, помимо того, что они способны к аннигиляции? В данном контексте слово «знаем» имеет два оттенка: во-первых, какие свой­ства должны быть у античастиц, если исходить из обще­признанных теоретических представлений, и, во-вторых, какие из этих свойств мы действительно измерили на сегодняшний день.

В первом смысле мы знаем о том, как соотносятся основные свойства античастиц с соответствующими ха­

е++еГ—+ 7

Рис. 22. Аннигиляция е+е~" на два гамма-кванта (а) разрешена, а с вылетом одного гамма-кванта (б) запрещена из-за нарушения зако­на сохранения импульса. Видно, что в случае (а) сумма проекций импульсов частиц на оси у и х в начальном и конечном состоянии равна нулю. При вылете же одного гамма-кванта (б) в конечном со­стоянии появляется один ненулевой импульс, то есть нарушается за­кон сохранения импульса

Рис. 23. При переходах электрона в атоме из одного состояния с энергией Е2 в другое состояние с энергией Е\ образуется фотон, кото­рый уносит энергию E2—Ei (а). Точно так же выглядит аннигиляция электрона и позитрона в дпраковской модели дырок (б). Электрон переходит в дырку — незанятое электронное состояние с отрицатель­ной энергией. Освободившуюся энергию уносят два гамма-кванта

рактеристиками для обычных частиц, практически все. Такую взаимосвязь дает нам так называемый принцип СРГ-инвариантности.

Уже упоминалось: большой неожиданностью для фи­зиков было обнаружение нарушения СР-инвариантности. Оказалось, законы природы изменяются при одновремен­ной замене частица—античастица и правое—левое. Од­нако совершенно общие принципы квантовой теории поля приводят к заключению о том, что должна выпол­няться так называемая СРГ-инвариантность. Законы природы не меняются при одновременной тройной за­мене:

частица — античастица, правое — левое, прямой ход времени — обратный ход времени.

СРГ-инвариантность является действительно фунда­ментальнейшим физическим принципом, который непре­ложно следует из требований специальной теории отно­сительности и соблюдения причинности. Надо сказать, что СРГ-инвариантность проверена на опыте с колос­сальной точностью порядка Ю-12

. Именно потому, что мы твердо верим в теоретические основы СРГ-инвари-антности и имели возможность убедиться эксперимен­тально, что она хорошо выполняется, можно с уверен­ностью сказать, какими должны быть основные свойства античастиц. Предсказание этих характеристик представ­ляет собой одно из важных следствий принципа СРТ.

Итак, согласно СРГ-теореме основные параметры ан­тичастиц должны быть такими:

Частица Античастица

Электрический заряд            е          —г

Масса  m         m

Спий   s           s

Магнитный момент  |i          —\i

Время жизни t           t

Бариснный заряд       В         —В

Лептонныи заряд      L          —L

То есть частица и античастица должны иметь в точнос­ти те же самые массу, спин и время жизни. Их электри­ческий, барионный и лептонный заряды, а также магнит­ный момент должны быть одинаковыми по величине, но противоположными по знаку.

Написанное в первых двух строчках таблицы, я ду­маю, понятно. В первой главе, когда речь шла о теории дырок, мы уже разбирали, почему у античастиц та же самая масса, как и у частиц, но противоположный элект­рический заряд. Из теории дырок также следует равен­ство спинов частицы и античастицы. Ведь античастица — это незаполненное состояние в «море» Дирака частицы со спином.

Магнитный момент характеризует магнитные свойст­ва частицы. Почему у античастицы он имеет другой знак, можно понять, если записать выражение для магнитно­го момента, например, электрона

е

где е — заряд электрона

, а т — его масса.

Видно, что так как в это выражение входит величи­на заряда еу то магнитный момент у античастицы будет другого знака.

Барионный и лептонный заряды есть некоторые чис­ла, которые приписываются частицам. Причем по опре­делению эти заряды имеют разные знаки для частиц и античастиц. Физики сочли удобным разделить все мно­гообразие наблюдаемых элементарных частиц на три класса: лептоны, барионы и мезоны (табл. 2). Наблюда­ется следующий экспериментальный факт: в любой ре­акции разность числа барионов (лептонов) и антибари-онов (антилептонов) остается постоянной, не меняется. Так вот, барионный и лептонный заряды и были введены для того, чтобы просто отразить это обстоятельство.

Фундаментальное отличие барионного и лептонного зарядов от хорошо известного нам электрического заря­да состоит в том, что с электрическим зарядом связано электромагнитное поле. Насколько это известно в на­стоящее время, ни барионный, ни лептонный заряды не являются источниками какого-либо поля, аналогичного


электромагнитному. И вообще говоря, непонятно, поче­му эти заряды сохраняются. Существуют веские основа­ния считать, что барионный заряд может не сохранять­ся. Этот факт привел бы к исключительно интересным следствиям, которые имеют прямое отношение к теме на­шего рассказа. Однако чтобы не нарушать логику изло­жения, мы отложим подробное описание удивительных следствий несохранения барионного числа и опытов, ко­торые запланированы для проверки этого предположе­ния, до главы 5. Сейчас лишь повторим, что по опреде­лению всем барионам приписывается барионный заряд В, равный +1, а у антибарионов б=»—1. Барионный за­ряд мезонов считается равным нулю.

(Мы приводим в этой таблице лишь некоторые, наибо­лее хорошо известные частицы. Отметим, что существу­ют три типа лептонного заряда. Например, паре (е, ve' присваивается лептонный заряд Le, паре (ц, гд) — Ьд) Открыт еще один лептон — тяжелый т-лептон с массой 1784 МэВ, у него должно быть свое нейтрино, но оно по­ка не обнаружено. В любой реакции происходит сохране­ние лептонных зарядов по отдельности. Относительно массы нейтрино имеются сомнения, в точности ли она равна нулю или нет. Есть указания на то, что масса ней­трино приблизительно равно 30 эВ — см. с. 142.)

До сих пор мы говорили о тех свойствах античастиц, которые следуют из теории. Там положение вполне ясное. Однако экспериментально характеристики анти­частиц изучены очень плохо, гораздо хуже, чем соответ­ствующие величины для частиц. Например, время жизни протона известно с фантастической точностью: тр>1030

лет! То есть если протон распадается, то время его жиз­ни больше 1030 лет. Заметим, что возраст Вселенной зна­чительно меньше, «всего лишь» 1010 лет

. Поэтому изме­рение времени жизни протона — это действительно яр­кая иллюстрация того, что сейчас может физика. Чего никак нельзя сказать об измерении времени жизни анти­протона. Все, что мы знаем н>а сегодняшний день, так это то, что время жизни антипротона больше недели: Тр > > 1700 часов.

Еще в 1956 году была открыта довольно интересная античастица — антинейтрон. Антинейтрон не имеет элек­трического заряда, и поэтому он проходит через наши детекторы, как заправский диверсант, не оставляя сле­дов. Но так как барионный заряд антинейтрона Б =—1, то он может аннигилировать с веществом и тем самым обнаруживает свое существование. Так вот до сих пор не смогли измерить даже массу антинейтрона, не говоря уже о других характеристиках.

Список нашего незнания свойств античастиц можно продолжить. У нас нет данных, например, о ядерных ха­рактеристиках антидейтрона. До сих пор не получено ни одного антиатома — простейшей системы из антипротона и позитрона. Плохо изучен сам элементарный акт анни­гиляции антипротона с протоном.

Такое положение есть просто следствие того, что окружающий нас мир состоит из вещества и античасти­цы — это только наши редкие гости. Тем не менее недавно были построены и введены в действие специальные уско­рители, рассчитанные на получение больших потоков ан­тичастиц. Это позволяет надеяться, что в ближайшем бу­дущем многие из перечисленных выше пробелов в физи­ке антивещества будут ликвидированы.

Исследования процессов аннигиляции относятся к классу фундаментальных задач, решение которых позво­лит нам лучше понять природу взаимодействий между элементарными частицами. Казалось бы, совершенно не­уместно спрашивать, какую пользу может извлечь, так сказать, народное хозяйство в результате этих экспери­ментов, на первый взгляд совершенно далеких от наших повседневных нужд. Тем не менее явление аннигиляции, оказывается, можно успешно использовать для решения ряда прикладных задач. Например, в последнее время в медицине появился новый, очень перспективный метод диагностики — позитронная томография.

Принцип позитронной томографии довольно прост, хотя, как часто бывает, для его практического воплоще­ния надо решить несколько далеко не тривиальных за­дач. В первой главе мы говорили, что некоторые радио­активные ядра в процессе бета-распада могут испускать позитроны, (см. рис. 20). Многие химические элементы, жизненно важные для человека, имеют изотопы, которые распадаются с вылетом позитрона. Такие радиоактивные изотопы есть, например, у кислорода, азота и углерода. Это обстоятельство позволяет создавать различные хи­мические соединения, у которых атомы обычных элемен­тов замещены на атомы их изотопов. Например, если заменить в молекуле воды атом кислорода-16 его радио­активным изотопом кислородом-15, то получится «пози­тронная» вода, то есть вода, в которой за счет распадов кислорода-15 будут возникать позитроны.

Подобным образом можно пометить радиоактивными изотопами несколько сот различных химических соеди­нений. Если теперь ввести в тело пациента «меченое» со­единение, то позитроны от распада изотопов будут анни­гилировать с электронами окружающих тканей. Как мы хорошо знаем, в такой аннигиляции образуются два у-кванта:е_і_+е-->у+ї» которые можно зарегистрировать. Позитроны в теле человека способны пройти до анниги­ляции всего лишь несколько миллиметров, поэтому мес­тонахождение «меченого» соединения устанавливается с большой точностью.

Для получения изображения исследуемого органа те­ло пациента окружают кольцом счетчиков, детектирую­щих гамма-кванты. Информация с этих счетчиков посту­пает в компьютер, который с помощью довольно слож-

Подпись:

Рис. 24. В методе позитронной томографии регистрируют гам­ма-кванты, возникающие при аннигиляции позитронов с элек­тронами тканей исследуемого органа. Характерной чертой этой аннигиляции является то, что гамма-кванты разлетаются в противоположные стороны под углом 180°. Кольцо счетчи­ков, окружающее пациента, де­тектирует такие пары гамма-квантов во всех направлениях (в плоскости кольца). Получен­ная информация обрабатывает­ся компьютером, который вос­станавливает изображение ин­тересуемого органа

Подпись: ных программ восстанавливает изображение органа (рис. 24).
В настоящее время разработаны системы, которые позволяют получать до 7 томографических картинок одновременно и с хорошим пространственным разреше¬нием. Последовательные снимки можно получить с ин¬тервалами менее минуты.
Позитронную томографию применяют сейчас в клини¬ческой онкологии, при изучении инфарктов миокарда, при исследованиях кровеносных сосудов мозга и даже при лечении шизофрении. Как видно, список областей медицины, в которых используется явление аннигиляции, довольно большой, и он непрерывно растет.
Однако нам пора возвращаться к основной теме — антивещество во Вселенной. Именно процесс аннигиля¬ции дает нам принципиальную возможность определить, есть или нет где-нибудь во Вселенной Антимир — скоп¬ление антивещества в большом масштабе. Ведь на границе Мира и Антимира неизбежно должна идти анни¬гиляция. Поэтому давайте посмотрим, какие эффекты аннигиляции можно наблюдать.
СВОЙСТВА АННИГИЛЯЦИИ

А все-таки жаль, что в Москве Больше нету извозчиков. Хотя б одного — и исчезла б Из сердца печаль.

Булат Окуджава

Ностальгия по прошлому — великое дело. Сейчас много придумали разных способов путешествия. Всякие там нуль-транспортировки, проколы вакуума. Но любой настоящий ценитель научной фантастики сразу скажет вам, что лучше всего добираться до Тау Кита старым, добрым фотонным звездолетом. И действительно, фотон­ный звездолет работает за счет аннигиляции антивещест­ва, а антивещество — самое идеальное топливо.

Происходит это из-за того, что аннигиляция — это единственный процесс, в котором, как мы уже говорили, исчезают 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 дает в тыся­чу раз больше энергии, чем при делении такого же коли­чества урана. Если бы в нашем распоряжении была небольшая планетка 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 на­шу страны годовым запасом электроэнергии, надо отко­лоть от планетки и подвергнуть аннигиляции всего лишь 100-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 100 килограммов с сотнями миллионов тонн угля и неф­ти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу!

Таблица 3. Сколько энергии выделяется в разных реакциях в расчете на 1 грамм топлива

Аннигиляция вещества и антивещества — 9-Ю13 джоулей

Деление урана           ~ 9-Ю10 джоулей

Сжигание угля          — 2,9-104 джоулей

Антивещество было бы идеальным топливом еще и по­тому, что оно не загрязняет окружающую среду. После

Подпись:


Рис. 25. Схема распадов продуктов аннигиляции протон—антипротон. Цифры в левой части рисунка соответствуют тому пути, который про­ходит частица в космосе до момента ее распада

аннигиляции в конечном счете остаются только фотоны высокой энергии и нейтрино. Рассмотрим, например, как происходит аннигиляция протона и антипротона. Процес­сы, возникающие при этой реакции, схематически пока­заны на рис. 25. Разберем их последовательно, шаг за шагом.

1. Образование пионов

Образование пионов — это наиболее вероятный про­цесс при антипротон-протонной   аннигиляции. Пионы

(или я-мезоны) —легкие частицы с массой —140 МэВ и барионным зарядом В = 0. Максимальное число пио­нов, которое образуется в аннигиляции, легко посчитать:

N     = Масса Р + Масса р ^ jg^ Масса я

Минимальное число пи-мезонов равно 2. (Один пи-ме­зон не может образоваться, так как это запрещает закон сохранения импульса, см. рис. 22). Наиболее часто при аннигиляции рр вылетают 5—6 пи-мезонов. Иногда, правда, довольно редко, вся энергия аннигиляции сразу преобразуется в энергию фотонов, то есть идет процесс

Р+ P-^Y+Y-

В качестве примера рассмотрим, что произойдет, ког­да в рр-аннигиляции родятся три пи-мезона разных зна­ков:

р +   р -> л+ +   я- + до.Q= + 1    -1   +1       -1 0В= + 1    —1     о            0 0

2. Распад пионов

Пи-мезоны — это нестабильные частицы. Время их жизни по нашим повседневным масштабам исключитель­но мало. Заряженные пионы живут порядка сотен мил­лионных долей секунды, а затем распадаются на дру­гие частицы — мюоны и нейтрино. Тем не менее если у нас аннигиляция протона и антипротона происходит не в топке фотонного звездолета, а в открытом космосе, то заряженные пионы успевают пройти до своего распа­да довольно значительный путь, порядка 20 метров. Распадаются заряженные пионы главным образом на мюоны и нейтрино. Время жизни нейтрального пиона настолько мало, что в нашем языке нельзя уже отыскать подходящего числительного для обозначения этой малос­ти. В цифрах время жизни нейтрального пиона — 0,8- 10~~16секунды. Он живет в 100 миллионов раз меньше, чем заряженные пионы, и поэтому от места рождения он может уйти не дальше чем на 10~5 сантиметра. После этого он распадается на два фотона с высокой энер­гией ~70 МэВ.

Итак, характерные реакции, по которым происходят распады пионов, таковы:

71+      р+ + V,lt

л° ->у +7»

где vM—мюонное нейтрино. Чуть ниже мы употребим символ ve для обозначения электронного нейтрино. Это два типа нейтрино. Первый появляется лишь в реакциях с мюоном, второй — в процессах, где есть электрон. Каждому типу нейтрино присвоен свой лептонный заряд: Le и Ьд.

3. Распад мюонов

Мюоны — тоже нестабильные частицы. Однако они живут в 100 раз дольше, чем пионы, и в космосе могут пробежать до своего распада в 100 раз дальше—1 — 2 километра. Потом они распадаются на электроны, по­зитроны и нейтрино:

u~-*e- + ve +

Таким образом, на расстоянии порядка 2 километров от точки аннигиляции протона и антипротона остаются лишь фотоны высокой энергии, электроны, позитроны и нейтрино. Все эти частицы, по современным представле­ниям, стабильны и могут продолжать свое путешествие

Подпись:


Рис. 26. На этой диаграмме по­казано, какую долю энергии, освободившейся в антипротон-протонной аннигиляции, уносят нейтрино, е+е~~ и гамма-кван­ты. Видно, что около 50% энер­гии уносят нейтрино. Конструк­торам фотонных ракет придет­ся здорово потрудиться, чтобы научиться улавливать энергию нейтрино

в космосе до тех пор, пока не провзаимодействуют с ве­ществом. Причем такие частицы (особенно фотоны и ней­трино) способны проходить во Вселенной колоссальные расстояния и могут в принципе доставить нам информа­цию об аннигиляции, даже если она происходит в дру­гих галактиках.

Иное дело, как выделить эту информацию. В космосе происходит много разных процессов, в ходе которых по­являются электроны, позитроны, фотоны и нейтрино. По­этому задача охотника за антивеществом очень сложна. Как минимум он должен уметь хорошо детектировать продукты аннигиляции. К сожалению, современные воз­можности регистрации предполагаемых продуктов анни­гиляции нельзя охарактеризовать даже скромным эпи­тетом «хорошо». В следующей главе мы подробнее раз­берем ситуацию, сложившуюся в этой области. Сейчас же давайте подытожим, что же мы должны искать, чтобы убедиться в существовании во Вселенной антивещества.

Итак:

Где-то в космосе произошла аннигиляция вещест­ва и антивещества.

Разыскиваются свидетели:

фотоны высоких энергий, у; электроны, е~~; позитроны, е+;   _ _ нейтрино, ve, v^, ve, v^.

Особые приметы: обладают большой энергией (больше 100 МэВ), высокой проникающей способностью (нейтрино проходит через чугунную плиту размером в Галактику). При себе имеют отрицательный (электро­ны) и положительный (позитроны) электрический заря­ды, а также различные лептонные заряды.