§ 126. Античастинки і антиречовина

Одним з найбільших досягнень фізики XX століття стало відкриття античастинок — своєрідних двійни­ків згаданих вище елементарних частинок. Першим був відкритий двійник електрона — додатний електрон, або позитрон, тобто частинка з додатним зарядом, рівним за абсолютним значенням зарядові електрона, і масою, рів­ною масі електрона. Досить цікаво, що існування позитро­на було теоретично передбачено англійським фізиком-теоретиком П. Діраком у 1930 р. Дірак передбачив також і умови виникнення позитрона: така частинка утворює­ться в парі із звичайним електроном у процесі взаємодії кванта електромагнітного випромінювання з сильним електричним полем, яке існує в будь-якому атомі в без­посередній близькості до ядра. З теорії Дірака також випливало, що під час зіткнення позитрона з електроном відбувається їх перетворення у фотони великої енергії. Через два роки позитрон було експериментально виявлено в кос­мічних променях американським фізиком К. Андерсоном.

У 1933 р. реальність існування позитронів була під­тверджена дослідами, не зв'язаними з дослідженням кос­мічних променів. Було виявлено, що позитрони вилітають із свинцевої пластинки під час опромінення її гамма-фото­нами великої енергії. У цьому можна переконатися на такому досліді. У камері Вільсона, вміщеній в магнітне поле, установлюють джерело гамма-фотонів великої енергії (наприклад, радіоактивний препарат ). Над пре-

паратом, на шляху гамма-променів, ставлять свинцеву пластинку. На одержаних фотографіях (мал. 238) можна бачити два викривлені у протилежні боки магнітним полем сліди частинок — «вилку». За густиною слідів, їхньою дов­жиною і кривизною можна визначити, що вони належать позитронові й електронові. В місці, де починаються сліди, відбулося перетворення гамма-фотона при зіткненні з ядром в позитрон і електрон. Реакцію утворення позитрона і електрона можна записати так:

де— позитрон.

Незабаром Ірен і Фредерік ЖоліоКюрі в дослідах щодо вивчення штучної радіоактивності спостерігали випускан­ня позитронів радіоактивними ізотопами фосфору, азоту та інших елементів. Так була відкрита перша античас­тинка.

Той факт, що позитрон на відміну від електрона спостерігається лише у ви­няткових випадках, пояс­нюється дуже малою трива­лістю його існування, по­рядкус (в атмосферно­му повітрі). За цей час пози­трон зустрічається з якимось електроном речовини, що веде до перетворення пози­трона і цього електрона в два фотони.

Відкриття можливості перетворення фотонів у пару електрон — позитрон і зво­ротного перетворення цієї пари у фотони викликало справжню сенсацію в науко­вому світі. До цього вважа­лося, що електрони можуть переходити від атома до атома, але, здавалося, ні­коли не зникають і не ви­никають знову. Між тим з'ясувалося, що дійсний світ

значно багатший за ці, тепер вже застарілі, уявлення. Ви­явилося, що будь-яка частинка може виникати в парі з анти­частинкою і зникати в результаті взаємодії з античастин­кою, перетворюючись в інші частинки. Підтвердженням цього стало відкриття двійників-античастинок у всіх час­тинок. Так, у 1955 р. групою американських фізиків було відкрито антипротон. Він має масу, що дорівнює масі протона, але заряджений від'ємно. Його заряд дорівнює зарядові протона. Протон і антипротон також виникають одночасно в парі, а з'єднуючись, зникають, перетворю­ючись в інші частинки.

У 1957 р. було виявлено існування антинейтронів. Антинейтрони мають масу, що дорівнює масі нейтрона або близька до неї. Антинейтрон, так само, як і нейтрон, не має електричного заряду. Під час зіткнення нейтрон і анти­нейтрон зникають, перетворюючись в інші частинки.

Зараз вважається доведеним, що античастинки є у всіх без винятку мікрочастинок, лише в деяких нейтральних частинок, як, наприклад, у фотона, античастинка тотожна частинці.

Установлення факту існування античастинок привело до постановки проблеми антиречовини. Відкриття анти­протона дало можливість висловити припущення, що він може захоплювати на зовнішню орбіту позитрон і утворю­вати «антиатом», аналогічний до атома водню, з тією лише різницею, що додатні і від'ємні заряди помінялися місця­ми. З антипротонів і антинейтронів можуть утворюва­тися «антиядра» й інших елементів, які, захопивши на зовнішню орбіту відповідне число позитронів, утворюють антиатоми цих елементів. Сукупність таких антиатомів утворює антиречовину. Ці припущення дістали експери­ментальне підтвердження. На сьогодні одержано важкий антиводень (антидейтерій), антигелій і антитритій.

Властивості антиречовини нічим не відрізняються від властивостей звичайної речовини, однак разом вони існу­вати не можуть — при взаємодії атоми речовини й анти­речовини зникають, перетворюючись у фотони та інші частинки. Під час такого перетворення дефект маси досягає максимуму і виділяється максимально можлива кількість енергії 2тс², де т — маса однієї частинки. Таким чином, антиречовина є найбільш досконалим, найбільш «кало­рійним» пальним. Однак це пальне необхідно не лише навчитися добувати, але й зберігати, оскільки його треба добре ізолювати від звичайної речовини.

Учені припускають можливість існування окремих зір, а можливо, й цілих зоряних систем (галактик) з антиречо­вини,— антисвітів. Зустріч у світовому просторі зір з дво­ма типами речовини закінчилася б гігантським вибухом, зумовленим спільним зникненням атомів і антиатомів — перетворенням їх у фотони та інші частинки.

? 1. Чим пояснюються дуже рідкі випадки спостережень позитрона? 2. Які античастинки ви знаєте? 3. Що розуміють під антиречовиною? Що ви знаєте про властивості антиречовини?