Глава 6. Античастинки
Лептони і баріони
Зупинимося ще раз на відомих нам субатомних частинках. Перш за все до них відносяться ядра різних елементів. Їх ми розглядати не будемо, так як ядра атомів усіх елементів, за винятком водню-1, складаються з ще більш дрібних частинок. Саме ці частинки, названі фізиками елементарними [14]. і будуть нас цікавити.
Я вже згадував чотири частинки, які називають елементарними: протон, нейтрон, електрон і фотон. Їх можна розділити на дві групи. Протон, нейтрон і інші важкі елементарні частинки, відкриті після 1932 року, об'єднані під загальною назвою баріони (від грецького слова barys - важкий). Електрон має маленьку масу, а маса фотона дорівнює нулю. Ці та інші легкі частки, відкриті після 1932 року, називають лептонами (від грецького слова leptos - легкий, слабкий).
Чотири елементарні частинки можна класифікувати за іншою ознакою. Протон, електрон і фотон - стабільні. Іншими словами, якби у Всесвіті був один-єдиний протон (або електрон, або фотон), він існував би без зміни нескінченно довго. (Точніше кажучи, будь-яка з трьох перерахованих часток може зазнати зміна, але лише при взаємодії з іншими частинками.) Нейтрон є нестабільною частинкою. Якби у Всесвіті існував один нейтрон, він рано чи пізно, а швидше за все протягом декількох хвилин, розпався б на протон і електрон. Така нестабільність властива самій природі частки і не залежить від наявності часток інших видів.
Чому ж нейтрон в цьому відношенні не схожий на інші частинки? Перетворення нейтрона в протон і електрон супроводжується зменшенням маси. Очевидно, істотно саме це зменшення маси. Виявляється, при будь-якому спонтанному розпаді відбувається зменшення маси. Втрачена маса перетворюється в енергію. У Всесвіті є, мабуть, загальна тенденція переходу від речовини до енергії. Стає зрозумілим тоді, чому стабільний фотон. Він має нульову масу спокою і тому не може розпастися на частинки меншої маси. З тієї ж причини стабільна кожна частка, яка не має маси.
Подібні міркування, однак, не застосовуються для пояснення стабільності електрона. Електрон має хоч і незначну, але все ж кінцеву масу спокою. Але якщо тенденція перетворення маси в енергію універсальна, чому вона щадить електрон? Чому він не розпадається на один або кілька фотонів з нульовою масою спокою, енергія яких еквівалентна масі електрона?
Виявляється, цьому процесу перешкоджає закон збереження електричного заряду. Фотон не несе електричного заряду, і якби електрон розпався на фотони, що стало б з його негативним зарядом? Наскільки фізикам відомо, не існує частки з негативним зарядом легше електрона. Тому електрон не розпадається.
А протон? Чи є він найлегшою часткою з позитивним зарядом? Відповідь виявилася негативними фізикам довелося шукати інше пояснення його стабільності.
Перший натяк на існування позитивно зарядженої частинки легше протона був зроблений в 1930 році, коли Поль Дірак зумів математично описати деякі властивості електрона. Він прийшов до висновку, що якщо його математичні розрахунки вірні, електрон повинен існувати в двох різних формах. Одна з них - звичайний, добре відомий електрон, який до на той час досліджували вже протягом більше тридцяти років. Інша форма була дуже схожа на звичайний електрон, але замість негативного заряду він мав позитивний.
Через два роки, в 1932 році, американський фізик Карл Девід Андерсон, вивчаючи космічні промені високих енергій, що бомбардують Землю, в своєму детекторі частинок знайшов щось, що вело себе точно так само, як електрон, але під дією магнітного поля відхилялося в протилежну сторону. Значить, ця частка замість негативного заряду несла позитивний. Так був відкритий позитивно заряджений електрон Дірака.
Андерсон назвав цю позитивно заряджену частинку позитроном. Хоча цей термін використовується найчастіше для назви відкритої частинки, він невдалий, так як маскує близьку спорідненість з електроном. Іноді електрон і позитрон називають негативним електроном і позитивним електроном. Таке найменування відображено в сучасних позначеннях цих частинок: e - і е +. Щоб зберегти за електроном його ім'я, позитрон іноді називають антиелектрона, де приставка «анти» означає «протилежний». З багатьох причин антиелектрон - найкраще назва, так як інші частинки теж мають свої протилежності, для яких використовують приставку «анти». Всі ці протилежні частки об'єднані в групу античастинок.
В даний час прийнято позначати античастинки символом частинки з горизонтальною лінією над ним Так, позитрон можна позначити 'e +. що вказує на те, що він не просто позитивно заряджений електрон, а античастинка (в fb2 версії горизонтальна лінія замінена на на штрих перед символом через обмеження шрифтів - прим. верстальника).
Незабаром після відкриття Андерсона було виявлено, що позитрон утворюється деякими радіоактивними атомними ядрами, - звичайно, не тими, які існують в природі, а спеціально отриманими в лабораторії.
У 1934 році французькі вчені подружжя Фредерік і Ірен Жоліо-Кюрі, бомбардуючи α-частинками атоми алюмінію, отримали фосфор-30, який спонтанно, т. Е. Мимовільно, випромінював позитрони (у вигляді позитивних β-частинок) і перетворювався в кремній-30 . Атомний номер фосфору - 15, кремнію-14, отже, радіоактивний розпад можна записати:
Електричний заряд знову зберігається, так як 14 + 1 = 15.
Які ж процеси всередині ядра приводять до випромінювання позитрона? Масові числа кремнію-30 і фосфору-30 однакові, так що загальне число нуклонів до бути в обох випадках одним і тим же. З іншого боку, атомний номер ядра кремнію-30 на одиницю менше, ніж фосфору-30, отже, ядро кремнію-30 містить на один протон менше, ніж ядро фосфору-30. Щоб зменшити число протонів на одиницю, не змінюючи загального числа нуклонів, треба одночасно додати один нейтрон. Іншими словами, позитрон випромінюється тоді, коли всередині ядра протон перетворюється в нейтрон. При цьому атомний номер зменшується на одиницю а масове число залишається незмінним. Процес прямо протилежний тому, який призводить до випромінювання електрона, коли нейтрон перетворюється в протон. Але цього і слід було очікувати, так як позитрон є як би дзеркальним відображенням електрона і все, що відбувається з ним є відображенням подій, що відбуваються з електроном.
З іншого боку, протон легше нейтрона, тому не дивно, що саме нейтрон спонтанно перетворюється в протон, так як спонтанні перетворення завжди супроводжуються зменшенням маси. Але як же тоді протон спонтанно перетворюється в нейтрон і випускає позитрон?
Дійсно, протон легше нейтрона, якщо мова йде про вільні частинках. Всередині ядра, однак, відбуваються зміни енергії, які злегка змінюють масу окремих нуклонів. Іноді маса ядра зменшується, якщо протон перетворюється в нейтрон, а іноді, якщо нейтрон замінюється протоном, зміна маси цілком залежить від будови ядра. У першому випадку випромінюються позитрони, а в другому - електрони, Звичайно, є ядра, що володіють при даному числі нуклонів комбінацією нейтронів і протонів, при якій маса мінімальна. Тоді перетворення протона нейтрон або нейтрона в протон збільшує масу. Такі ядра не зазнають ніяких спонтанних перетворень, вони стабільні, якщо це не важкі ядра, які випромінюють α-частинки.
Ще раз нагадаємо, що вільні нейтрони можуть спонтанно перетворитися в протони, зворотне ж перетворення неможливо.