Частицы и античастицы.

Уравнение Шредингера не является инвариантным относительно преобразований Лоренца – не удовлетворяет требованиям специальной теории относительности. П.Дирак записал релятивистское квантовомеханическое уравнение, из которого вытекает ряд замечательных следствий, в частности наличие у электрона собственного магнитного момента – спина. Из уравнения Дирака следует, что полная энергия свободного электрона может принимать не только положительные, но и отрицательные значения E = (p²c² + m²c⁴).

Между положительным значением ( mc² ) и отрицательным ( -mc² ) лежит область энергий, которая не может реализоваться. В классической механике область возможных отрицательных энергий отбрасывается как недостижимая. Поскольку в квантовой механике энергия частицы может изменяться не только непрерывно, но и скачком, то существование запрещенной зоны не может воспрепятствовать частице перейти в состояние с отрицательной энергией ( и следовательно, с отрицательной массой). Согласно Дираку, вакуум – это такое состояние, в котором все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами, а уровни с положительными энергиями свободны. Если одному из электронов сообщить энергию Е m_ec², то электрон перейдет в состояние с положительной энергией ( «обычный» электрон), а образовавшаяся вакансия должна вести себя как электрон с положительным зарядом (действительно, отсутствие частицы с отрицательным зарядом и отрицательной массой может восприниматься как частица с положительным зарядом и положительной массой. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном.

При встрече электрона с позитроном происходит аннигиляция: частицы превращаются в два (или три) -кванта

e⁺ + e^-   + 

Рождение электрон-позитронной пары возможно, если энергия -кванта превышает m_ec² = 1.02 МэВ. Для выполнения законов сохранения импульса в процессе рождения пары должна присутствовать еще одна частица (ядро), которая воспринимает избыток импульса

 + X  X + e⁺ + e^-

Позитрон был обнаружен в 1932 г. Андерсоном в составе космических лучей. В камере Вильсона в магнитном поле

В 1956 г. на ускорители в г. Беркли (США) были обнаружены антипротоны и антинейтроны. Сейчас обнаружены античастицы как и у лептонов, так и у барионов. Так, например, ^- мезон является античастицей по отношению к ⁺ мезону.

Главное, что отличает частицу от античастицы – способность к аннигиляции.

Существуют частицы, тождественные со своими античастицами (,⁰, ), которые называются абсолютно нейтральными.

При превращениях ЭЧ выполняются специфические законы сохранения. Барионами приписывается барионный заряд ( равный +1 для частиц и равный -1 для античастиц, для небарионов В=0). Для всех процессов, протекающих с участием барионов, выполняется закон сохранения барионного заряда (пример – распад нейтрона). Именно закон сохранения барионного заряда обуславливает стабильность протона. Действительно процесс, который привел бы к аннигиляции атома

p  e⁺ +  + ^*

удовлетворяет всем законам сохранения ( энергии, импульса, электрического заряда ), кроме закона сохранения барионного заряда.

Аналогично, для описания процессов, происходящих с участием лептонов, вводится понятие лептонного заряда, и суммарный лептонный заряд системы сохраняется во всех процессах.

К-мезоны и гипероны (, , ) были обнаружены в космических лучах в начале 50х годов, и были названы странными, т.к. рождались за счет сильных взаимодействий, но время жизни имели порядка 10^-8- 10^-10 с вместо характерного 10^-23. Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц было введено новое квантовое число, названное странностью ( для К-мезонов S=+1, а для ,-гиперонов S=-1, а для -гиперонов S=-2), тогда, например

Кварки

Частиц, называемых элементарными, стало так много ( т.н. резонансы, в 1974 г. в США были открыты так называемые  и - частицы с массой порядка нескольких ГэВ), что возникает естественное сомнение в их элементарности. В 1964 Гелл-Манном была выдвинута гипотеза, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, называемых кварками. Этим частицам приписываются дробные квантовые числа и дробный электрический заряд

U (up) q=+2/3 B=1/3 S=0 желтый

D (down) q=-1/3 B=1/3 S=0 синий

S (strange) q=-1/3 B=1/3 S=1 красный

Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков.

В дальнейшем систему кварков пришлось расширить и ввести новые характеристики ( цвета – желтый, синий и красный ), чтобы устранить противоречия с принципом запрета Паули ( ^- - sss). Подобно знаку электрического заряда, цвет кварка стал выражать различие в свойствах, взаимное притяжение или отталкивание. По аналогии с электромагнитными и сильными взаимодействиями были введены частицы, являющиеся переносчиками взаимодействия между кварками – глюоны. Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе. Открытие новых частиц привело к расширению системы кварков до шести ( с, t, b). Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии оказались безуспешными, хотя имеются экспериментальные данные, которые трактуются как доказательство существования кварков ( характер рассеяния быстрых электронов протонами указывает на наличие внутри протона трех точечных рассеивающих центров).

Таким образом, на данный момент можно считать элементарными лептоны, кварки, а также частицы, обеспечивающие четыре фундаментальных взаимодействия (гравитон, фотон, W и Z бозоны, глюоны).

Попытки великого объединения предпринимались неоднократно: Эйнштейн пытался единым образом описать гравитационное и эл.магн. взаимодействие, в конце 70 г. ХХ века Вайнберг и Салам – теория электрослабых взаимод.

Предполагается, что цепочка материальных структур ( атом, ядро, адрон, кварк…) базируется на объектах принципиально иной природы – протяженных образованиях размером 10^-33 см, т.н. суперструнах.

М- теория (mystery) имеет перспективы свести четыре фундаментальных взаимодействия к одному – т.н. Суперсиле. М- теория оперирует 12-мерном пространством.