37.4. Частицы и античастицы

Античастицы – это совокупность частиц, имеющих одинаковую массу , спин и время жизни , но отличающихся от обычных частиц другими характеристиками (например, электрического заряда, магнитного момента). Частица, у которой все характеристики, отличающие её от античастицы, совпадают, называется истинно нейтральной (например, фотон, ⁰ – и  – мезоны).

Вывод о существовании античастиц впервые был сделан в 1931 г. П.Дираком. Он вывел релятивистское квантовое уравнение для электрона, которое оказалось симметричным относительно знака электрического заряда: наряду с отрицатель заряженным электроном e^- оно описывало положительно заряженную частицу той же массы, которая была названа позитроном e⁺.

Позитрон был обнаружен в составе космического излучения К.Андерсеном (1932 г.). Впоследствии были зарегистрированы мюон ^- и антимюон ⁺ (1936 г.), пион ^- и антипион ⁺ (1947 г.), антипротон (1955 г.), антинейтрон (1956 г.). К настоящему времени экспериментально обнаружены античастицы практически для всех известных элементарных частиц.

При встрече частицы и античастицы происходит их аннигиляция (уничтожение), в результате которой рождаются другие частицы. Такой процесс должен протекать с соблюдением законов сохранения энергии и импульса. Например, при аннигиляции электрон–позитронной пары рождаются два фотона:

e^-+ e⁺2

Реакция с рождением одного фотона (e^-+ e⁺) разрешена законом сохранения энергии, но не осуществляется, так как приводила бы к нарушению закона сохранения импульса.

Возможен и обратный процесс рождения электрон–позитронной пар при прохождении фотона вблизи ядра:

+XX+ e^-+ e⁺

Закон сохранения энергии разрешает такой процесс, если энергия фотона больше энергии покоя электрон–позитронной пары: W_  2m_ec². Образовавшиеся в таком процессе электрон и позитрон уносят лишь часть импульса, поэтому для осуществления реакции рождения электрон–позитронной пары необходимо ядро X, которое в соответствии с законом сохранения импульса забирает на себя часть импульса фотона. Следовательно, свободный фотон не может породить электрон–позитронную пару.

37.5. Лептоны

К лептонам (от греч.leptos – лёгкий) относятся элементарные частицы, не обладающие сильным взаимодействием. Все лептоны имеют спин s=1/2, т.е. являются фермионами. Как видно из табл. 37.1, к лептонам относятся электрон e^-, мюон ^--, таон ^-, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействии. Каждому заряженному лептону соответствует нейтральная частица, участвующая только в слабом взаимодействии: электронное нейтрино _e, мюонное нейтрино _ и таонное нейтрино _..

Элементарным частицам, относящимся к семейству лептонов, приписывается так называемый лептонный заряд L. По определению для всех лептонов L=1, для антилептонов L=-1, а для всех остальных частиц L=0.

Анализ всей совокупности опытных данных позволил сформулировать закон сохранения лептонного заряда: в замкнутой системе при всех без исключения процессов взаимопревращения элементарных частиц лептонный заряд остаётся постоянным. Например, в реакции распада нейтрона

в начальном состоянии (нейтрон) лептонный заряд был равен нулю. В конечном состоянии суммарный лептонный заряд также равнее нулю, так как у протона L=0, у электрона L=1, а у антинейтрино L=-1. Этот пример показывает, что лептон и антилептон могут рождаться лишь парами. Закон сохранения лептонного заряда запрещает процессы, в которых рождаются лишь одни лептоны. Так, например, невозможна реакция

,

поскольку в исходном состоянии L=0, а в конечном L=0+1+1=2.