Античасти́ца — частица-двойник некоторой другой элементарной частицы , обладающая той же массой и тем же спином , отличающаяся от неё знаками всех других характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа ).

Само определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако при данном выборе «частицы» её античастица определяется однозначно. Сохранение барионного числа в процессах слабого взаимодействия позволяет по цепочке распадов барионов определить «частицу» в любой паре барион-антибарион. Выбор электрона как «частицы» в паре электрон-позитрон фиксирует (вследствие сохранения лептонного числа в процессах слабого взаимодействия ) определение состояния «частицы» в паре электронных нейтрино-антинейтрино. Переходы между лептонами различных поколений (типа ${\displaystyle \mu \rightarrow e}$ ) не наблюдались, так что определение «частицы» в каждом поколении лептонов, вообще говоря, может быть произведено независимо. Обычно по аналогии с электроном «частицами» называют отрицательно заряженные лептоны , что при сохранении лептонного числа определяет соответствующие нейтрино и антинейтрино . Для бозонов понятие «частица» может фиксироваться определением, например, гиперзаряда .

Существование античастиц

Существование античастиц было предсказано П. А. М. Дираком . Полученное им в 1928 году квантовое релятивистское уравнение движения электрона ( уравнение Дирака ) с необходимостью содержало решения с отрицательными энергиями. В дальнейшем было показано, что исчезновение электрона с отрицательной энергией следует интерпретировать как возникновение частицы (той же массы) с положительной энергией и с положительным электрическим зарядом, то есть античастицы по отношению к электрону. Эта частица — позитрон — была открыта в 1932 году .

В последующих экспериментах было установлено, что не только электрон, но и все остальные частицы имеют свои античастицы . В 1936 году в космических лучах были открыты мюон (μ ⁻ ) и μ ⁺ его античастица, а в 1947 — π ⁻ и π ⁺ — мезоны , составляющие пару частица — античастица; в 1955 в опытах на ускорителе зарегистрирован антипротон , в 1956 — антинейтрон , в 1966 — , в 1970 — антигелий , в 1998 — антиводород , в 2011 — антигелий-4 и т. д. К настоящему времени наблюдались античастицы практически всех известных частиц, и не вызывает сомнения, что античастицы имеются у всех частиц.

Истинно нейтральные частицы

Для некоторых нейтральных частиц античастица тождественно совпадает с частицей. Это, в частности, фотон , нейтральный пи-мезон , эта-мезон и прочие кварконии , хиггсовский бозон , Z-бозон , гравитон . Такие частицы называют истинно нейтральными . Подчеркнём, что электрически нейтральные частицы могут и не совпадать со своими античастицами. Это, в частности, касается нейтрона , нейтрино , нейтрального каона и т. д.

Все известные истинно нейтральные частицы — бозоны , однако в принципе могут существовать и истинно нейтральные фермионы (т. н. майорановские частицы ).

Осцилляции

Если какое-либо из квантовых чисел электрически нейтральной частицы не сохраняется строго, то возможны переходы (осцилляции) между состояниями частицы и её античастицы. В этом случае состояния с определённым не сохраняющимся квантовым числом не являются собственными состояниями оператора энергии-импульса, а представляют собой суперпозиции истинно нейтральных состояний с определёнными значениями массы. Подобное явление может реализовываться в системах ${\displaystyle \nu -{\overline {\nu }}}$ , ${\displaystyle n-{\overline {n}}}$ , ${\displaystyle K_{0}-{\overline {K_{0}}}}$ и т. п.

Рождение и аннигиляция

Рождение античастиц происходит в столкновениях частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-античастица (см. Рождение пар ). В лабораторных условиях античастицы рождаются во взаимодействиях частиц на ускорителях ; хранение образующихся античастиц осуществляют в накопительных кольцах при высоком вакууме. В естественных условиях античастицы рождаются при взаимодействии первичных космических лучей с веществом, например, атмосферы Земли , а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер галактик . Теоретическая астрофизика рассматривает образование античастиц (позитронов, антинуклонов) при аккреции вещества на чёрные дыры . В рамках современной космологии рассматривают рождение античастиц при испарении первичных чёрных дыр малой массы. При температурах, превышающих энергию покоя частиц данного сорта (в энергетической системе единиц), пары частица-античастица присутствуют в равновесии с веществом и электромагнитным излучением . Такие условия могут реализовываться для электрон-позитронных пар в горячих ядрах массивных звёзд. Согласно теории горячей Вселенной, на очень ранних стадиях расширения Вселенной в равновесии с веществом и излучением находились пары частица-античастица всех сортов. В соответствии с моделями великого объединения эффекты нарушения С- и CP-инвариантности в неравновесных процессах с не сохранением барионного числа могли привести в очень ранней Вселенной к барионной асимметрии Вселенной даже в условиях строгого начального равенства числа частиц и античастиц. Это даёт физическое обоснование отсутствию наблюдательных данных о существовании во Вселенной объектов из античастиц .

При столкновении частицы со своей античастицей возможна их аннигиляция .

См. также

• Барионная асимметрия Вселенной
• Антивещество

Примечания