Fizikusok: a proton és az antiproton teljesen azonos egymással. Antirészecskék
Minden ismert elemi részecske esetében megvan annak a valószínűsége, hogy találunk egy antirészecskét - vagyis egy azonos tömegű, de más fizikai jellemzőkkel ellentétes részecskét.
Az 1920-as években, a kvantummechanika alapelveinek bevezetése után a szubatomi világ rendkívül egyszerűnek tűnt. Az atommagot csak kétféle elemi részecskék - protonok és neutronok - alkották (bár a neutronok létezését kísérletileg csak az 1930-as években igazolták), és egyfajta részecskék - az elektronok - léteztek az atommagon kívül, és körülötte keringtek. pályák. Úgy tűnt, hogy az Univerzum teljes sokfélesége ebből a három részecskeból épült fel.
Jaj, egy ilyen egyszerű kép a világról nem volt hivatott sokáig fennmaradni. A tudósok, miután világszerte felszereltek magaslati laboratóriumokat, elkezdték tanulmányozni a bolygónkat bombázó kozmikus sugarak összetételét ( cm. elemi részecskék), és hamarosan mindenféle részecskét kezdtek felfedezni, amelyeknek semmi közük nem volt a fent leírt idilli triádhoz. Különösen a természetben teljesen elképzelhetetlent fedeztek fel antirészecskék.
Az antirészecskék világa egyfajta tükörképe az általunk ismert világnak. Az antirészecske tömege pontosan megegyezik annak a részecske tömegével, amelynek megfelelni látszik, de minden egyéb jellemzője ellentétes a prototípuséval. Például egy elektron negatív elektromos töltést, páros antirészecskéje pedig a "pozitron"(a „pozitív elektronból” származik) - pozitív. A protonnak pozitív, az antiprotonnak negatív a töltése. És így tovább. Amikor egy részecske és antirészecske-párja kölcsönhatásba lép, kölcsönös megsemmisülésük megtörténik - mindkét részecske megszűnik létezni, és tömegük energiává alakul, amely fotonok és más ultrakönnyű részecskék felvillanása formájában disszipálódik a térben.
Az antirészecskék létezését először Paul Dirac jósolta meg egy 1930-ban megjelent cikkében. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan viselkednek a részecskék és az antirészecskék a Dirac-kölcsönhatásokban, képzeljünk el egy sík mezőt. Ha vesz egy lapátot, és lyukat ásott benne, két tárgy jelenik meg a mezőn - maga a lyuk és egy földhalom mellette. Most képzeljük el, hogy a földhalom egy közönséges részecske, a lyuk pedig, vagy „talajkupac hiánya” egy antirészecske. Töltse ki a lyukat a korábban eltávolított talajjal - és nem marad sem lyuk, sem halom (a megsemmisítési folyamat analógja). És megint egy sík mező van előtted.
Miközben az antirészecskékkel kapcsolatos elméletalkotás folyt, a Kaliforniai Műszaki Egyetem fiatal kísérleti fizikusa, Carl David Anderson (1905-91) berendezést telepített a coloradói Pike Summit egyik asztrofizikai laboratóriumába, hogy a kozmikus sugarakat tanulmányozza. Robert Millikan irányítása alatt dolgozik ( cm. Millikan kísérlete), feltalált egy rendszert a kozmikus sugarak rögzítésére, amely egy erős mágneses térbe helyezett célból áll. A célpontot bombázva a részecskék kondenzvízcseppek nyomait hagyták a célpont körüli kamrában, amelyeket le lehetett fényképezni, és a kapott fényképekről a részecskék pályáját lehetett tanulmányozni.
Ennek a készüléknek az ún kondenzációs kamra, Anderson képes volt észlelni a kozmikus sugarak célponttal való ütközéséből származó részecskéket. A részecske által hagyott nyom intenzitása alapján meg tudta ítélni a tömegét, a pályájának mágneses térben való eltérésének jellege alapján pedig meg tudta határozni a részecske elektromos töltését. 1932-re olyan ütközések sorozatát tudta regisztrálni, amelyek eredményeképpen az elektron tömegével megegyező tömegű részecskék keletkeztek, de ezek mágneses tér hatására az elektronhoz képest ellentétes irányú, ill. , ezért pozitív elektromos töltése volt. Így sikerült először kísérletileg azonosítani az antirészecskét, a pozitront. Anderson 1932-ben publikálta eredményeit, és 1936-ban megkapta a fizikai Nobel-díj felét. (A díj második felét Victor Franz Hess (1883-1964) osztrák kísérleti fizikus kapta, aki először kísérletileg igazolta a kozmikus sugarak létezését. Jegyzet fordító.) Ez volt az első (és eddig az utolsó) eset, hogy olyan tudósnak ítélték oda a Nobel-díjat, aki akkor még hivatalosan nem is szerepelt egyeteme tudományos stábjának tagjaként!
Bár úgy tűnik, hogy a fenti példa tökéletesen illusztrálja a Bevezetésben leírt tudományos módszer előrejelzési-teszt forgatókönyvét, a történelmi valóság nem olyan egyszerű, mint amilyennek látszik. A tény az, hogy Anderson nyilvánvalóan semmit sem tudott Dirac publikációjáról kísérleti felfedezése előtt. Tehát ebben az esetben inkább a pozitron elméleti és kísérleti felfedezéséről beszélünk.
A pozitront követő összes antirészecskét kísérleti úton fedezték fel laboratóriumi körülmények között - gyorsítókon. Manapság a kísérleti fizikusoknak lehetőségük van szó szerint a jelenlegi kísérletekhez szükséges mennyiségben előállítani őket, és az antirészecskéket már régóta nem tekintik szokatlannak.
Lásd még:
1917, 1934 |
Atommag bomlás és fúzió |
1928-ban Dirac publikált egy tanulmányt, amely elsőként magyarázta el az elektron viselkedését a relativitáselmélet és a kvantummechanika elveinek kombinációjával. Ebben a munkában jósolták meg az antirészecskék létezését, és ezért Dirac valamivel később, 1933-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat, Erwin Schrödingerrel megosztva. |
Az antiprotont a Berkeley Laboratóriumban fedezték fel 1955-ben. Az antiprotont először 1955-ben fedezték fel kísérleti úton Owen Chamberlain, Emilio Segre, C. Wiegand és T. Ypsilantis a Berkeley Egyetemen (Felfedezéséért Emilio Segre és Owen Chamberlain 1959-ben fizikai Nobel-díjat kapott) protongyorsítóban. maximális energia 6,3 GeV. A barionszám megmaradása miatt az antiproton születését proton születésének kell kísérnie, ezért az antiproton megszületéséhez szükséges, hogy a tömegközéppontban ütköző részecskék teljes kinetikus energiája meghaladja a a proton-antiproton pár nyugalmi energiája. Ez a feltétel teljesült a Berkeley-gyorsítónál a protonoknak a célmagokkal való ütközésére. A tanulmányt úgy alakították ki. A gyorsítóból származó protonnyaláb egy rézcélpontra esett, amelyben a protonok rézmagokkal való kölcsönhatása következtében különféle részecskék születtek. A mágnesek kiválasztották a negatív töltésű részecskéket (főleg mezonokat), eltérítve azokat a Cserenkov-számlálók irányába, és megmérték a részecskék sebességét. A részecske antiprotonokkal való azonosítását tömegének értékével végeztük, amelyet az impulzus (mágneses térbeli elhajlás által mért) és a részecske sebessége közötti összefüggésből határoztunk meg. A kísérletben több antiproton született november 10-én a protonoknak a célponttal való ütközéséből.
Anyag hiányában az antiproton a protonhoz hasonlóan nagyon nagy pontossággal stabil. Az anyagban a lassú antiproton „élettartamát” a megsemmisülésének sebessége határozza meg.
Az antiprotonok és az atommagok közötti coulomb-kölcsönhatások antiproton atomok kialakulását idézhetik elő - hidrogénhez kötött rendszerek (lásd Hadron atomok). Az antiprotonok és a nukleonok közötti kis távolságokban nukleáris vonzó erők hatnak, ami kötött antiproton-nukleon rendszer (barionium) kialakulásához vezethet. Az antiprotonok és antinukleonok közötti erős (nukleáris) kölcsönhatás eredményeként antianyag atommagok, az antiprotonok és pozitronok elektromágneses (Coulomb) kölcsönhatása következtében pedig antihidrogén atomok képződhetnek.
Az antiproton hosszú távú létezése csak alacsony nukleonsűrűség mellett lehetséges - töltött részecsketárolókban, valamint a világűrben.
Az antiprotonok megfigyelése a kozmikus sugarakban az antiprotonok kozmikus forrásainak jelenlétét jelzi. Ilyen forrás lehet a nagy energiájú kozmikus sugárzás részecskék és a csillagközi anyag kölcsönhatása. Antiprotonok születhetnek például a pulzár héjában, amikor nagy energiájú részecskék kölcsönhatásba lépnek az anyaggal, a pulzár mágneses tere, valamint a Galaxis aktív magjának környezetében; . A kozmikus antiprotonok megfigyelt fluxusának feleslege miatt (különösen az energiatartományban
A CERN fizikusai kísérleteik során a legpontosabb bizonyítékot kapták arra vonatkozóan, hogy a proton és antirészecskéjének összes fizikai tulajdonsága teljesen azonos lehet egymással. Bár kizárólag egy pár részecskepárról beszélünk, újult erővel lobbantak fel a viták az Univerzum aszimmetrikus anyagának kérdéséről.
13 ezer nagy energiájú ütközést végrehajtva és az összes adatot összegezve azt találtuk, hogy a proton és az antiproton tömeg- és töltésviszonyai, valamint egyéb fizikai jellemzőik 69 rész/per hibán belül megegyeznek egymással. billió. Ez a mérési pontosság fantasztikusnak tűnhet, de csak négyszerese a korábbi méréseknek. És mégis, ismét korlátoztuk annak valószínűségét, hogy a természeti törvények szimmetriája megsértse.
Emlékezzünk vissza, hogy a proton olyan elemi részecske, amely egyedül vagy neutronnal együtt kivétel nélkül minden atommag alapját képezi. A proton egy barion, elektromos töltése +1, spinje 1/2, és minden alapvető kölcsönhatásban részt vesz. Az antiproton látszólag csak ellentétes töltésében különbözik.
Úgy gondolják, hogy az ősrobbanásnak azonos mennyiségű anyagot és antianyagot kell generálnia, amelyek részecskéi megsemmisülnek, amikor egymással érintkeznek. Következésképpen minden anyagnak szó szerint el kellett pusztítania önmagát az Univerzum életének legelső pillanataiban. Amit azonban ma megfigyelünk, alapvetően különbözik egy ilyen modelltől: az anyag jelentős aszimmetriáját figyeljük meg, i.e. az anyag túlsúlya az antianyaggal szemben. Felmerül egy logikus kérdés: hová tűnt az utolsó, és miért létezik még mindig az Univerzum?
A meglévő fizikai elméletek mikrovilágát legteljesebben és legpontosabban leíró Standard Modell szerint a töltés, a részecskék és antirészecskéik kivételével minden fizikai és kémiai tulajdonságnak teljesen egybe kell esnie. Ugyanakkor a megfigyelt aszimmetriát magyarázó legérthetőbb elmélet fő gondolata az, hogy a részecske-antirészecske párban vannak eltérések, talán csekélyek, de elegendőek ahhoz, hogy megakadályozzák a megsemmisülést, amikor érintkezésbe kerülnek. Az elmúlt néhány évben a fizikusok számos lehetséges utalást találtak arra, hogy léteznek ilyen különbségek.
Ulmer úr és a BASE-együttműködésben dolgozó kollégái munkájának eredményei azonban valójában véget vetnek az ilyen feltételezéseknek: az általuk elért mérési pontosság túl nagy. A csapat azt tervezi, hogy belátható időn belül végre megoldja ezt a problémát, akár 100-szorosra növelve a mérések pontosságát, ami lehetővé teszi a jelenleg rendelkezésre álló következtetések visszavonhatatlan megerősítését, vagy a részecskék és ellentétes töltésű „ikreik” jellemzői közötti különbségek megállapítását.
A fizikusok munkájáról részletesebb beszámoló a Nature-ben található.
Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete