37.4. Частинки й античастинки

Античастинки – це сукупність частинок, що мають однакову масу , спін і час життя , але відрізняються від звичайних частинок іншими характеристиками (наприклад, електричним зарядом, магнітним моментом). Частинка, у якої всі характеристики, що відрізняють її від античастинки, збігаються, називається істинно нейтральною (наприклад, фотон, ⁰ і  – мезони).

Висновок про існування античастинок уперше був зроблений в 1931 р. П. Діраком. Він вивів релятивістське квантове рівняння для електрона, що виявилося симетричним щодо знака електричного заряду: поряд з негативним зарядженим електроном ^-e^- воно описувало позитивно заряджену частинку тієї ж маси, яка була названа позитроном e⁺.

Позитрон був виявлений у складі космічного випромінювання К. Андерсеном (1932 р.). Згодом були зареєстровані мюон ^- і антимюон ⁺ (1936 р.), піоній ^-- і антипіоній ⁺ (1947 р.), антипротон (1955 р.), антинейтрон (1956 р.). До теперішнього часу експериментально виявлені античастинки практично для всіх відомих елементарних частинок.

При зустрічі частинки й античастинки відбувається їх анігіляція (знищення), у результаті якої народжуються інші частинки. Такий процес повинен протікати з дотриманням законів збереження енергії й імпульсу. Наприклад, при анігіляції електрон-позитронної пари народжуються два фотони:

e^-+ e⁺2

Реакція з народженням одного фотона (e^-+ e⁺) дозволена законом збереження енергії, але не здійснюється, тому що приводила б до порушення закону збереження імпульсу.

Можливий і зворотний процес народження електрон-позитронної пара при проходженні фотона поблизу ядра:

+XX+ e^-+ e⁺

Закон збереження енергії дозволяє такий процес, якщо енергія фотона більша енергії спокою електрон-позитронної пари: W_  2m_ec² . Утворювані в такому процесі електрон і позитрон несуть лише частину імпульсу фотона, тому для здійснення реакції народження електрон-позитронної пари необхідне ядро X, що відповідно до закону збереження імпульсу забирає на себе частину імпульсу фотона. Отже, вільний фотон не може породити електрон-позитронну пару.

37.5. Лептони

До лептонів (від греч. leptos – легкий) відносяться елементарні частинки, які не мають сильної взаємодії. Всі лептони мають спін s=1/2, тобто є ферміонами. Як видно з табл. 37.1, до лептонів відносяться електрон e^-, мюон ^--, таон ^--, що беруть участь в електромагнітній і слабкій взаємодії. Кожному зарядженому лептону відповідає нейтральна частинка, яка бере участь тільки в слабкій взаємодії: електронне нейтрино _e, мюонне нейтрино _ і таонне нейтрино _..

Елементарним частинкам, що відносяться до сімейства лептонів, приписується так званий лептонний заряд L. По визначенню для всіх лептонів L=1, для антилептонів L=-1, а для всіх інших частинок L=0.

Аналіз всієї сукупності дослідних даних дозволив сформулювати закон збереження лептонного заряду: у замкнутій системі при всіх без винятку процесах взаємоперетворення елементарних частинок лептонний заряд залишається незмінним. Наприклад, у реакції розпаду нейтрона

у початковому стані (нейтрон) лептонний заряд дорівнює нулю. У кінцевому стані сумарний лептонний заряд також дорівнює нулю, оскільки для протона L=0, електрона L=1, а для антинейтрино L=-1. Цей приклад показує, що лептон і антилептон можуть народжуватися лише парами. Закон збереження лептонного заряду забороняє процеси, у яких народжуються лише одні лептони. Так, наприклад, неможлива реакція

,

оскільки у вихідному стані L=0, а в кінцевому L=0+1+1=2.