Космическое излучение

Содержание. 1. Виды космического излучения 2. Космические лучи. 3. Античастицы. 4. Античастицы,Взаимные превращения вещества и поля.
5. Открытие новых элементарных частиц. 6. Классификация элементарных частиц. § 1. Виды космического излучения. До 40-х годов нашего столетия почти все сведения о небесных телах были получены с помощью оптического метода исследования. Дело в том, что атмосфера Земли пропускает только электромагнитные волны длиной от 0,3 мкм до нескольких микрометров и еще радиоволны от нескольких сантиметров до десятков метров, Для остальной части шкалы электромагнитных волн атмосфера непрозрачна, Между тем во Вселенной излучаются электромагнитные волны всех диапазонов - от радиоволн до гамма-излучения. Космическое радиоизлучение впервые было обнаружено в 30-х годах при изучении грозовых помех, В 40-х-50-х годах начались поиски и изучение источников космического радиоизлучения, Для этой цели использовали радиолокаторы, затем начали строить радиотелескопы с огромными чашеобразными антеннами и чувствительными приемниками излучения· Быстрое развитие радиоастрономии привело к целому ряду важнейших открытий, Было обнаружено, что нейтральный холодный водород, который составляет основную массу межзвездного газа и в оптическом диапазоне невидим, испускает монохроматическое радиоизлучение с длиной волны 21 см, Это помогло изучить распределение водорода в нашей звездной системе - Галактике, включая даже далекие области, закрытые пылевыми облаками, которые, однако, для радиоволн прозрачны. Далее были открыты галактики, мощность радиоизлучения которых в миллионы раз больше, чем у нашей галактики (их назвали радиогалактиками)· Оказалось, что такое мощное радиоизлучение имеет нетепловую природу, Оно вызвано гигантскими взрывами, при которых выбрасываются огромные массы вещества, в миллионы раз большие массы Солнца. Выброшенные при взрыве быстро летящие заряженные частицы в межзвездном магнитном поле движутся по криволинейным траекториям, т. е. с ускорением. Ускоренное же движение заряда сопровождается излучением электромагнитных волн. Это нетепловое излучение называют магнитотормозным или синхротронным (оно наблюдается в синхротронах-ускорителях заряженных частиц). Изучение синхротронного излучения дает ценные сведения о движении потоков космических частиц и о межзвездных магнитных полях, Обычно излучаются радиоволны, но если частицы движутся с очень большими скоростями или в достаточно сильном магнитном поле, то они испускают видимое, ультрафиолетовое и даже рентгеновское излучение. Для регистрации космического излучения, от инфракрасного до рентгеновского, очень широко используется фотографический метод. Кроме того, в качестве приемников излучения применяются термопары, термосопротивления, а также фотоэлектрические устройства, принцип действия которых рассматривается в следующей главе. Как отмечалось выше, атмосфера сильно поглощает коротковолновое излучение, До поверхности Земли доходит только ближнее ультрафиолетовое излучение, да и то сильно ослабленное· Поэтому коротковолновое космическое излучение можно изучать только с помощью ракет и спутников, Такие исследования позволили изучить ультрафиолетовую область спектра Солнца, а также исследовать очень горячие звезды с температурой до 30 000 К, сильно излучающие в ультрафиолетовой области. Поскольку температура солнечной короны составляет около 10" К то в соответствии с законами теплового излучения корона должна быть источником рентгеновского излучения. Первые же опыты с помощью ракет подтвердили это, Оказалось, что рентгеновское излучение Солнца непостоянно. При хромосферных вспышках наблюдаются всплески рентгеновского излучения. Это объясняется тем, что выброшенные при вспышке быстро летящие электроны испускают рентгеновское излучение при столкновении с другими частицами солнечной атмосферы, а также при торможении в сильном магнитном поле активных областей (синхротронное излучение), Заметим, что рентгеновское излучение Солнца - важнейший источник ионизации верхнего слоя атмосферы Земли - ионосферы, С помощью космических аппаратов было обнаружено рентгеновское излучение различных далеких объектов (ядер галактик, нейтронных звезд и др. 2. КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ Исследования которые сейчас можно с удобствами производить в космосе, доказывают, что на нашу Землю непрерывно падает поток ядерных частиц, движущихся со скоростями, практически равными скорости света, Их энергия лежит в пределах 10^8-10^20 эВ· Энергия порядка 10^20 эВ превосходит на восемь порядков энер-гпи, которые можно создать в самых мощных ускорителях! В основном первичные космические лучи состоят из протонов (около 90%); кроме протонов в них присутствуют и более тяжелые ядра· Разумеется, сталкиваясь с другими молекулами, атомами, ядрами, кос-мические лучи способны создать элементарные частицы всех типов, Но астрофизиков интересует первичное излучение· Как создаются потоки частиц, обладающих такой энергией? Где лежат источники этих частиц? Достаточно давно было доказано, что не Солнце является основным источником космического излучения· Но если так, то ответственность за создание космических лучей нельзя переложить и на другие звезды, поскольку в принципе они ничем не отличаются от Солнца· Кто же виноват? В нашей Галактике существует Крабовидная туманность, которая образовалась в результате взрыва звезды в 1054 г, (не надо забывать что ученые следят за звездным небом не одну тысячу лет), Опыт показывает, что она является источником радиоволн и источником космических частиц· Это совпадение дает разгадку огромной энергии космических протонов· Достаточно допустить, что электромагнитное поле, образовавшееся в результате взрыва звезды, играет роль синхротрона, и тогда огромная энергия, которая набирается частицей, путешествующей по спирали вокруг линий магнитной индукции на протяжении тысяч световых лет, может достигнуть тех фантастических цифр, которые мы привели· Расчеты показывают, что, пролетев расстояние, равное поперечнику нашей Галактики, космическая частица не может набрать энергии больше чем 10" эВ· Видимо, частицы с максимальной энергией приходят к нам из других галактик, Разумеется, нет никакой необходимости полагать, что только взрывы звезд приводят к появлению космических частиц, Любые звездные источники радиоволн могут быть одновременно источниками космических лучей· Существование космических лучей было обнаружено еще в начале нашего века· Установив электроскопы на воздушном шаре, исследователь замечал, что разрядка электроскопа на больших высотах идет значительно быстрее, чем если этот старинный прибор, оказавший физикам немало услуг, помещен на уровне моря· Стало ясным, что всегда происходящий спад листочков электроскопа не является следствием несовершенства прибора, а есть результат действия каких-то внешних факторов· В 20-х годах физики уже понимали, что ионизация воздуха, которая снимала заряд с электроскопа, несомненно внеземного происхождения· Милликен первый уверенно высказал такое предположение и дал явлению его современное название: космическое излучение·
В 1927 г, советский ученый Д. В. Скобельцын первый получил фотографию следов космических лучей в ионизационной камере· Обычными способами, которые мы описывали ранее, была определена энергия космических частиц. Она оказалась огромной· Изучая природу космических лучей, физики сделали ряд замечательных открытий· В частности, существование позитрона было доказано именно этим путём· Такие же точно и мезоны - частицы с массой, промежуточный между массами протона и электрона, были впервые обнаружены в космических лучах·
Исследования космических лучей продолжают оставаться одним из увлекательных занятий физиков. Незавершенность астрофизики делает трудным ее изложение в одной главе не большой книги, цель которой - ввести читателя в круг основных фактов и идей физической науки. Я выбрал из физических проблем, касающихся вселенной, лишь несколько вопросов, которые казались мне наиболее интересными. Если в воздухе нет ионов, то заряженный электроскоп должен сохранять свой заряд неопределенно долгое время· Однако опыт показывает, что электроскоп постепенно разряжается· Вначале это явление объясняли ионизирующим действием ра-диоактивного излучения Земли, Если это так, то по мере удаления от поверхности Земли ионизирующее воздух излучение должно ослабевать. Еще в 1912 г· с помощью воздушных шаров было установлено, что интенсивность ионизирующего излучения возрастает с увеличением высоты, Следовательно, это излучение возникает не на Земле, а где-то в мировом пространстве. Поэтому его стали называть космическим излучением, или космическими лучами. Изучение космических лучей в высокогорных областях показало, что они состоят из пионов, протонов, нейтронов и других частиц, среди которых были обнаружены и многие неизвестные ранее частицы. Эти частицы были названы вторичными, так как выяснилось, что они образуются в верхних слоях атмосферы при взаимодействии первичных космических частиц, летящих из мирового пространства, с ядрами атомов атмосферы, Исследования показали, что интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли примерно в 1,5 раза больше, чем на экваторе, Изучение отклоняющего действия магнитного поля Земли на первичное космическое излучение показало, что оно состоит из положительно заряженных частиц. Много ценных сведений о пер-вичном космическом излучении получено с помощью искусственных спутников и космических кораблей, В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях в космическом пространстве. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1 см^2 за 1 с, Оно состоит в основном из протонов (~91 %) и а-частиц (6,6%); небольшая часть приходится на ядра других элементов (менее 1%) и электроны (~1,5%). Среднее значение энергии космических частиц - около 10^4 МэВ, а энергия отдельных частиц достигает чрезвычайно высоких значений – 10^12 МэВ и более. Где возникают космические частицы и как они ускоряются до таких огромных энергий, еще точно неизвестно. Предполагают, что они выбрасываются при взрывах новых и сверхновых звезд и ускоряются при взаимодействии с неоднородными магнитными полями в межзвездном пространстве. Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и а-частиц, имеют небольшую энергию, но высокую интенсивность, что приходится учитывать при планировании космических полётов. Вторичные частицы также обладают очень высокой энергией и ири столкновении с ядрами вызывают дальнейшее размножение частиц, На рис, 1 показана зафиксированная на толстослойной фотопластине увеличенная картина разрушения атомного ядра при попадании в него частицы большой энергии (около 2·10^3 МэВ). След ударившей в ядро частицы невидим (по-видимому, это нейтрон). Ядро распалось на 17 частиц, разлетевшихся в разные стороны· В результате лавинообразного размножения частиц в верхних слоях атмосферы образуется каскадный ядерный ливень, На рис, 2 изображен искусственный каскадный ливень, полученный в камере Вильсона, перегороженной свинцовыми пластинами, Частица высокой энергии, проходя через слой свинца, создает ливень частиц, которые при прохождении следующих слоев свинца создают новые ливни, Рис1 Рис2 Ядерный ливень в атмосфере затухает, когда энергия частиц снижается до нескольких десятков мегаэлектронвольт. Остаток энергии протоны тратят на ионизацию воздуха; нейтроны поглощаются ядрами, вызывая различные ядерные реакции, а пионы, составляющие основную часть ливневых частиц, распадаются. Образующиеся в большом количестве фотоны и электроны сильно поглощаются атмосферой. Каждый нейтральный пион очень быстро превращается в два фотона высокой энергии· При распаде заряженных пионов образуются новые частицы - u-мезоны, или мюоны, которые были открыты К· Андерсоном в 1935 г, при изучении космических лучей, задолго до открытия пионов, Масса мюона в 207 раз больше массы электрона, т.е, составляет около 3/4 массы пиона, Существуют мюоны только двух видов - положительно и отрицательно заряженные; они обозначаются u+ и u-, При распаде л+-мезонов образуются u+-мезоны, а при распаде л-мезонов u-мезоны. Оказывается, что, в отличие от пионов, мюоны не участвуют в ядерных взаимодействиях и расходуют энергию только на ионизацию. Поэтому они обладают высокой проникающей способностью и составляют так называемую жесткую компоненту космического излучения· Мюоны пролетают сквозь атмосферу, и их обнаруживают даже на значительной глубине под поверхностью Земли. Мюоны нестабильны, они существуют всего несколько микросекунд и распадаются на другие частицы. На уровне моря космическое излучение имеет примерно в сто раз меньшую интенсивность, чем на границе атмосферы, и состоит в основном из мюонов. Остальную часть составляют электроны и фотоны и незначительное количество ливневых частиц. Из первичного космического излучения только отдельные частицы, с исключительно высокой энергией (более 10^7 МэВ), пробиваются сквозь атмосферу. В космических лучах мюоны, как и пионы, летят со скоростями, близкими к скорости света, и поэтому благодаря релятивистскому замедлению времени успевают до своего распада пролететь большие расстояния. 3. Античастицы. Антивещество - материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервые предсказано в 1930 году английским физиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время была известна лишь одна положительно заряженная частица - протон, резко отличавшийся по своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумные объяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничего общего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженные позитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.
В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы.
Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. Это следует из общих принципов квантовой теории поля и подтверждается надежными экспериментальными данными. С современной точки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них - частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e - , m -, t - , соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Все эти частицы обладают и античастицами. Другая группа - это кванты полей с целым спином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабых взаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истинно нейтральны (g, Z0), то есть все их квантовые числа равны нулю и они идентичны своим античастицам; другие (W +, W -) также образуют пары частица - античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков, должны имет античастицы, например: нейтрон имеет состав (), антинейтрон — (). Мезоны состоят из кварка и антикварка и, вообще говоря, также имеют античастицы, например: p - - мезон состоит из кварков (), а p + мезон состоит из кварков (). В то же время имеются мезоны, симметричные относительно замены кварков на антикварки ( например, p0,r,h- мезоны, куда входят пары кварков , и ); также мезоны будут истинно нейтральными. Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их аннигиляция при столкновении. Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е - + е + ® g + g. Процессы аннигиляции идут, разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не только фотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохранения различных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как, например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е - + е + ® m - + m +. В таких реакциях были открыты “очарованные” и “прелестные” частицы. В аналогичном процессе е - + е + ® t - + t + открыли тяжелый t - лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чаще используется как один из самых совершенных методов исследования микромира. Операция замены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так как истинно нейтральные частицы тождественны своим античастицам, то при операции зарядового сопряжения они переходят сами в себя. В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами. Подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра. В 1965 году на ускорителе в США был получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителе Института физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3, состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития - тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом. Ведь аннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 10 14 Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космических лучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нет сомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества. Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах около 1013 К количество частиц и античастиц почти совпадало: на большое количество антипротонов ( примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней в виде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов к плотности реликтовых фотонов (10 -9) и дало сведения о величине избытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, то произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результате возникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом. Откуда же взялся этот избыток? Одна из гипотез предполагает, что в начальном состоянии число частиц и античастиц совпадало, но затем из-за особенностей в динамике их взаимодействия возникла асимметрия. Аннигиляция — это единственный процесс, в котором исчезает обе начальные частицы и вся их масса полностью переходит, например, в энергию фотонов. Никакая другая реакция, используемая в энергетике, таким свойством не обладает. И при делении урана, и в процессах термоядерного синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть (порядка десятых долей процента) массы покоя частиц, участвующих в реакции. Поэтому аннигиляция антивещества с веществом даёт в тысячу раз больше энергии, чем при делении такогоже количества урана. Если бы в нашем распоряжении была небольшая планетка из антивещества, то все проблемы с энергетическим кризисом сразу отпали. Предположим мы научились бы переводить всю энергию аннигиляции в электрическую. Тогда для того, чтобы обеспечить планету годовым запасом электроэнергии, надо отколоть от планеты и подвергнуть аннигиляции всего лишь 1000-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 1000 килограмм с сотнями миллионов тонн угля и нефти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту же самую задачу! Сколько энергии выделяется на 1 грамм топлива 1. Аннигиляция вещества и антивещества 1014 джоулей 2. Деление урана 1011 джоулей 3. Сжигание угля 2,9ž104 джоулей
Антивещество было бы идеальным топливом ещё и потому, что оно не загрязняет окружающую среду. После аннигиляции в конечном счёте остаются только фотоны высокой энергии и нейтрино. Нашу Землю регулярно бомбардирует поток космических лучей — частиц высоких энергий, которые генерируются при различных процессах, происходящих в нашей Галактике. Большую часть этих частиц составляют протоны и ядра гелия.
Но недавно, в 1979 году, в космических лучах были найдены и антипротоны. Об этом сообщили сразу две группы: советские физики из Ленинградского физико-технического института имени А. И. Иоффе и американские учёные из Центра космических полётов имени Л. Джонсона. Позитрон был обнаружен в космических лучах в 1932 году. Такой большой промежуток времени между открытием в космических лучах позитрона и антипротона объясняется тем, что антипротон намного сильнее взаимодействует с веществом, чем позитрон. антипротоны из космоса не успевают дойти до поверхности Земли, они аннигилируют уже в самых верхних слоях атмосферы. Именно поэтому поиск антипротонов в космических лучах представляет собой сложную техническую задачу. Надо поднять детектор как можно выше, к границе атмосферы. Все эксперименты по поиску античастиц в космических лучах были выполнены на аэростатах. Например, в опытах Р. Голдена воздушный шар поднимал на высоту 36 километров примерно 2 тонны аппаратуры. Но можно ли считать, что эти антипротоны прилетели к нам из Антимира? Вообще говоря, нельзя. В космических лучах есть протоны достаточно высокой энергии, и при столкновении с частицами, например, межзвёздного газа они могут рождать антипротоны в той же самой реакции, что идёт на ускорителях: Таким образом, сам факт обнаружения антипротонов в космических лучах можно объяснить, не привлекая гипотезы об антимире, В космических лучах наблюдались обычные ядра многих элементов таблицы Менделеева, вплоть до Урана. Однако ни одного антиядра в космических лучах до сих пор обнаружено не было. Правда пределы, которые были получены в опытах по поиску антиядер ещё не настолько низки, чтобы можно уверенно исключить возможность их существования. Сторонники Антимира считают, что поток ядер антигелия должен быть в 10 раз меньше той величины, которую удалось измерить на сегодняшний день. Предсказываемое значение не слишком мало и в принципе достижимо уже в ближайшем будущем. Надо сказать, что если бы удалось обнаружить хотя бы одно ядро антигелия, а ещё лучше — антиуглерода, то это бы стало исключительно серьёзным подтверждением гипотезы о существовании Антимира. Дело в том, что вероятность создать антигелий за счет столкновения протонов космических лучей с веществом межзвёздного газа пренебрежимо мала, меньше 10-11. В то же время если существуют антизвёзды, то в них антиводород должен перегорать в антигелий, а затем в антиуглерод. Как бы то ни было, антиядер пока не зарегистрировано, хотя с большой уверенностью отрицать их присутствие в космических лучах нельзя. У нас нет надёжных доказательств того, что какие-либо частицы Антимира прилетают к нам на Землю. Пока мы не наблюдали ни одного антиядра; результаты по измерению потока антипротонов не могут расцениваться как доказательство существования Антимира — слишком много для этого требуется предположений, которые нуждаются в объяснении и проверки. Вместе с тем наши экспериментальные результаты не настолько полны и точны, чтобы совсем закрыть возможность существования Антимира. Однако данные по космическим лучам могут наложить некоторые ограничения на примесь антивещества в нашей Галактике. Считается, что почти все космические лучи генерируются в процессах, которые происходят “внутри” нашей Галактики. Поэтому доля антивещества, возможно существующего в Галактике, не должна превышать доли антипротонов и антиядер в космических лучах. Известно, что в космических лучах отношение числа антипротонов к числу протонов приблизительно равно 10-4, а отношение числа ядер антигелия к числу протонов по крайней мере меньше 10-5. Отсюда делается вывод: примесь антивещества в Галактике меньше 10-4 — 10-5. Это означает, что экспериментальные данные по космическим лучам не противоречат наличию, грубо говоря, одной антизвезды на каждые 10 — 100 тысяч обычных звёзд. Подчеркнём, что такая оценка отнюдь не является доказательства существования антизвёзд. Совершенно неясно, как могли такие антизвёзды образоваться в нашей Галактике. Свет от антизвезды нельзя отличить от видимого света обычных звёзд. Однако процессы термоядерного синтеза, который обеспечивает “горение” звёзд, идут по-разному для звёзд и антизвёзд. Если в первом случае реакции термоядерного синтеза сопровождаются испусканием нейтрино, например в таких процессах: То в антизвёздах аналогичные реакции приводят к вылету антинейтрино: С экспериментальной точки зрения более выгодно искать громадные потоки антинейтрино, которые могут возникать на последней стадии эволюции антизвёзд. Дело в том, что когда звезда исчерпывает все свои запасы термоядерного топлива, она начинает катастрофически быстро сжиматься под действием своих гравитационных сил. Если масса звезды составляет одну-три массы Солнца, то это сжатие продолжается до тех пор, пока электроны не “вдавятся” внутрь атомных ядер, из которых состоит звезда. Пи этом происходит превращение протонов ядер в нейтроны и испускаются нейтрино: Когда звезда почти целиком будет состоять из нейтронов, сжатие прекратится, так как силы гравитационного притяжения будут уравновешены мощными силами отталкивания, которые происходят между нейтронами. Происходит образование так называемой нейтронной звезды — стабильного объекта с исключительно большой плотностью и малыми размерами. Радиус нейтронной звезды с массой Солнца порядка 10 километров (радиус Солнца порядка 700 000 километров). Ясно, что при коллапсе антизвезды должны образоваться антинейтроны, и процесс образования антинейтронной звезды будет сопровождаться испусканием антинейтрино: Поток таких антинейтрино должен быть исключительно велик, ведь при коллапсе практически каждый из громадного числа протонов звезды, превращаясь в нейтрон, даёт одно нейтрино: число антинейтрино » число антипротонов в антизвезде @ 1057. Уже существующие нейтринные телескопы могут зарегистрировать возникновение такой колоссальной нейтринной вспышки, если она произошла в нашей Галактике. § 4. Античастицы, Взаимные превращения вещества и поля. Из релятивистской квантовой теории следует, что для каждой ча-стицы должна существовать античастица, т. е. сходная с ней частица, стакой же массой, спином, временем жизни,но отли-чающаяся от нее знаком заряда, взаим-ным расположением вектора магнитного момента и спина и некоторыми другими характеристиками.
Рис. 3 Первой обнаруженной на опыте античастицейбыл«положительный электрон»—позитрон. Примерами таких пар частица — ан-тичастица являются также отрицательный и положительный мюоны, положительные и отрицательные пионы и каоны· Название другнх античастиц получается прибавлением к названию соответст-вующих частиц приставки «анти», а для их обозначения используются те же символы. У фотона, нейтрального пиона и этамезона нет аптичастиц (можно сказать, что в этих случаях частица и античастица совпадают),
Как и соответствующие частицы, антипротон, позитрон и анти-нейтрино устойчивы, остальные античастицы несгабилъны. При изучении поглощения 7-квантов с энергией более 1 МэВ было обнаружено образование пар электрон - позитрон· Когда у-квант пролетает в сильном электрическом поле вблизи ядра, он превращ,ается в пару электрон — позитрон. Возникновение пар электрон — позитрон можно наблюдать при пропускании у-излучения сквозь свинцовую пластинку, перегора-живаюш,ую камеру Вильсона· Следы позитронов и электронов в маг-нитном поле симметрично искривляются в разные стороны и рас-ходятся в виде буквы У, Траектории трех электронно-позитронных пар показаны на рис. 3 (магнитное поле направлено от читателя), Так как энергня, соответствующая массе покоя электрона или позитрона, составляет 0,511 МэВ, то превращение 'у-квантов в пару электрон — позитрон может произойти только в том случае, когда энергия у-кванта больше 1,02 МэВ, Если энергия у-кванта превыша-ет 1,02 МэВ, то избыток энергии составляет кинетическую энергию электрона и позитрона· Образующиеся прп распаде нейтральных пионов во вторичном космическом излучении у-кванты очень высоких энергий генериру-ют электроны и позитроны, которые также обладают высокой энер-, гией и при взаимодействии с веществом атмосферы испускают тор-мозное 'у-нзлучение, что в свою очередь приводит к генерации новых пар, и т· д· Так происходит образование так называемой м я г к о й компоненты вторичного космического излучения, сильно пог-лощаемой ат.мосферой. Если электроны и позитроны могут возникать из 7-квантов, то они, очевидно, могут и исчезать, превращаясь в 7-кванты· Опыты, выполненные супругами Жолио-Кюри, подтвердили, что прн встре-че позитрон и электрон исчезают, как говорят, а н н и г и л и р у-ю т, превращаясь в большинстве случаев в два ·у-кванта с энергиями 0,51 МэВ, разлетающиеся в противоположные стороны (нногда об-разуется три ·у-кванта с общей энергией 1-,02 МэВ): е-+е^27· Можно привести и другие примеры таких превращений. При распаде нейтрального пиона образуется два у-кванта: л»-^+Т, при этом происходнт превращение энергии, соответствующей массе покоя пиона, в энергию электромагнитного излучения· При столкновении у-кванта большой энергии с протоном ж>гут образоваться нейтрон и пион: ·у+р->-п+л,+, и за счет энергии электромагнитного излучения увеличивается мас-са покоя· Эти опыты доказывают, что элек.тромагнитное излучение, части-цы которого (фотоны) не имеют массы покоя, может превращаться в частицы вещества и обратно. Все изложенное подтверждает, что материя существует в виде еещества и поля и эти два вида материи могут превращаться друг в друга· Это превращение может происходить с участием кинетиче-ской энергии· Например, протон может приобрести энергию ·в элект-рическом поле ускорителя, а затем при его столкновении с другим протоном за счет кинетической энергии могут образоваться новые 4301^10)1. Американский физик Э· Лоуренс и его сотрудники получили в 1955 г.антипротон,ав 1956 г.антинейтрон· Эги анти-частицы были получены в мощном ускорителе при бомбардировке протонов протонами с энергией 6· 103 МэВ· При столкновениях протонов рождались пары протон—антипротон и нейтрон—антинейт-рон: р+р--Р+р+р+р^ р+р—>·р+р+п+п. Рис. 4 При встрече антипротона с протоном или антинейтрона с нейт-роном происходит их аннигиляция: нуклон и антинуклон исчезают, а вместо них образуется несколько нейтральных и заряженных пионов (в среднем около 5). На рис. 4 показана аннигиляция анти-протона и протона в пузырьковой камере· Движущийся снизу анти-протон р встречается с протоном· В резуль-тате аннигиляции в этом случае образовались 4 положительных и 4 отрицательных пиона, разлетающихся в разные стороны (магнитное поле направлено от читателя)· Излом одного следа в нижней части рисунка означает рас-пад пиона: я"*"->-[х"'"+у(* (нейтрино следа не оставляет). Нейтральные пионы распадаются на у-кван-ты· Заряженные пионы распадаются с обра-зованием мюонов и нейтрино, мюоны в свою очередь распадаются с образованием электро-нов, позитронов и нейтрино· Аннигиляция по-зитронов заканчивает превращение пары нук-лон — антинуклон, В результате образуются несколько у-квантов и несколько нейтрино· Открытие антинуклонов указывает на воз-можность существования антивещест-в а, целиком состоящего из античастиц„ Так, отрицательно заряженный антипротон с вращающимся вокруг него позитроном представляет собой антиводород· Антинуклоны могут образовать ядра других антиатомов, Пока удалось получить только антидейтрон и ядро антигелия· Ясно, что получение антивещества встречает огромные трудности, поскольку при его контакте с вещест-вом происходит аннигиляция· Возможно, что где-нибудь во Вселен-ной суш,ествуют целые антимиры, состоящие из антивещ,ества· Но установить это в настоящее время. § 5. Открытие новых элементарных частиц. В 1947 г. Г. Рочестер и С. Батлер при изучении космических лучей обнаружили в камере Вильсона расходящиеся из одной точки в виде буквы V следы частиц, Было очевидно, что они рождались при распаде каких-то неизвестных частиц, которые нейтральны и следов не оставляли· Позднее эти новые частицы были обнаружены и другими исследо-вателями. Одна из них примерно вдвое легче протона и была названа к-мезоном, или каоном; другая, несколько тяжелее протона, получила название Л-частицы (ламбда). В течение последующих восьми лет к ним присоединились заряженные каоны, а также два новых вида тяжелых частиц: E-частицы (сигма) и #-частицы (кси), E- и #-частицы, как и Л-частица, оказались тяжелее протона и получили общее название гиперонов. Открытие каонов и гиперонов было совершенно неожиданным, и они получили название странных частиц. Их роль в строении вещества неясна, хотя очевидно, что все они участвуют в ядерных взаимодействиях· Странные частицы обладают рядом «загадоч- ых» свойств, например имеют неожиданно большое с точки зрения еории время жизни· Элементарные частицы образуются при столкновениях частиц ысоких энергий с другими частицами· Долгое время такие столк-:овения можно было наблюдать только в космических лучах, которые были единственным источником частиц высоких энергий· В космических лучах и было открыто большинство элементарных частиц. В настоящее время для изучения элементарных частиц используются ускорители протонов и других заряженных частиц. На крупнейшем Серпуховском ускорителе получают пучок протонов с энергией 76·10^3 МэВ, а также пучки других частиц (пионов, каонов и др.) с энергией до 60· 10^3 МэВ. Строятся гигантские ускорители, расчитанные на получение энергий порядка 10^6 МэВ·
В середине 50-х годов была открыта еще одна разновидность мезонов, n-м е з о н (эта), и самая тяжелая частица - Q-гиперон (омега). В 1961-1962 гг экспериментально было доказано существование угорого типа нейтрино - мюонного нейтрино, получив-иего обозначение Vu; электронное нейтрино стали обозначать Ve.
Мюоны образуются вместе со своим нейтрино при распаде заря-женных пионов. Мюонное нейтрино (Vu) и антинейтрино (Vu) очень похожи по :воим свойствам на 5лектронное нейтрино (Vе) и антинейтрино (Vе), аднако опыты показали, что это различные частицы· Удивительным свойством мюона, которое пока не получило эбъяснения, является его полное сходство с электроном во всем, кроме массы: мюон в 207 раз тяжелее электрона, Этот «тяжелый электрон» может даже на некоторое время занимать место электрона в атоме, вращаясь цо очень близко расположенной к ядру орбите· При распаде мюонов образуются электроны и позитроны и два нейтрино — электронное и мюонное. § 6. Классификация элементарных частиц. Важнейшим об-щим свойством элементарных частиц является их способность к взаимному превращению· При распаде частиц одни частицы исче-зают, другие рождаются, Взаимное превращ,ение частиц происходит и при столкновениях двух частиц высоких энергии. Например, два протона, столкнувшись, могут превратиться в другие частицы: Р+Р->-р+п+л+, р+р->-р+-Л-К. Во всех превращениях частиц выполняется закон сохранения полной энергии, включающей энергию, соответствующую массам покоя, и кинетическую энергию частиц, причем эти энергии могут переходить друг в друга. При самопроизвольном распаде частицы суммарная масса покоя образующихся частпц меньше массы покоя распавшейся частицы, а энергия, соответствующая этой разности масс покоя, превраща-ется в кинетическую энергию частиц — продуктов распада. При столкновении двух частпц возможно обратное превращение энергии· В приведенных выше примерах масса покоя рождающихся частиц больше массы покоя двух сталкивающпхся протонов за счет их кинетической энергии· Два протона, столкнувшись, могут породпть пион: Р+Р->Р+р+л^9, если их кинетическая энергпя при столкновении превышает энер-гию, соответствующую массе покоя пиона· Этот пример особенно нагляден, поскольку сохраняются исходные частицы и образуется новая, При превращениях частиц, кроме закона сохранения полноп энергии, выполняются законы сохранення заряда, количества дви-жения· Известные в настоящее время элементарные частицы прнведены в табл· 38.1. Важнейшей характернстикой частицы является ее масса, которая отражает инертные и гравитационные свойства ча-стицы и определяет пмеющийся в ней запас энергии. Легчайшей частицей, обладающей массой покоя, является электрон (0,511 МэВ), Большннство частиц обладает спином, т· е, собственным момен-том колнчества движения· Можно представить, что они, наподобие волчка, вращаются вокруг собственной оси· Спий частицы каждого вида имеет строго определенное значение,; если спин фотона принять за единицу, то все частицы нмеют спин 0,1/2 или 1 (кроме гнперона Q-, спин которого равен 3/2). Некоторые частицы нейтральны, другие обладают положитель-ным нли отрицательным электрическим зарядом, равным по величн-не заряду электрона, Заряд входит в обозначение всех заряженных частиц, кроме протона, Почти все элементарные частицы нестабильны. В свободном со-стоянии стабильны только протон, электрон и частицы, не нмею-щие массы покоя (фотон и нейтрино). Остальные частицы самопроиз-вольно распадаются, и все, кроме нейтрона, имеют очень непродол-жительное среднее время жизни. Элементарные частицы делятся начетыре класса: 1) ф о т о н ы (Y-кванты); фотоны не имеют массы покоя и заряда; спин равен 1; 2) лептоны — легкие частицы, у лептонов спин равен 1/2; 3) м е з о н ы — промежуточные частицы; спин мезонов равен 0; 4) барионы — тяжелые частицы; самый легкий барион — протон; у всех барионов, кроме Q-частицы, спин равен 1/2. Частицы различных классов отличаются не только массой и значением спина. Так, фотоны и лептоны не участвуют в ядерных взаимодействиях, а мезоны и барионы участвуют. У лептонов и барионов внутри класса действуют законы сохране-ния числа частиц. Когда, например, исчезает один барион, вместо него появляется другой. Закон сохранения числа барионов делает протон стабильным: он самый легкий барион и поэтому не может самопроизвольно распадаться с образованием другого бариона. Законы сохранения числа барионов и числа лептонов многократно проверены на опыте. У класса мезонов и фотонов закон сохранения не выполняется, и они могут возникать и исчезать в любом количестве. Список литературы. 1. “Фотоны и ядра” А.И. Китайгородский. 2. Учебник по Физике. Л.С. Жданов и Г.Л. Жданов. 3. Физическая энциклопедия т.1 М.: 1990. 4. М. Сапожников “Антимир реальность?” 5. INTERNET.