В соответствии с уравнением Дирака встреча электрона с позитроном имеет для них фатальные последствия – обе частицы исчезают. Столь удивительный прогноз и его экспериментальные подтверждения произвели сильное впечатление и на физиков, и на нефизиков – как-никак это был первый пример полной трансформации вещества в излучение. Новооткрытый эффект назвали аннигиляцией, что по латыни означает полное уничтожение
На самом деле утверждение о том, что взаимодействие частиц и античастиц неизменно влечет за собой рождение фотонов, неверно даже по отношению к электронам и позитронам. Свободная электронно-позитронная пара аннигилирует с образованием электромагнитных квантов лишь в том случае, если ее энергия не слишком велика. Очень быстрые электроны и позитроны способны порождать положительные и отрицательные пи-мезоны (они же пионы), плюс- и минус-мюоны, протоны и антипротоны, и даже еще более тяжелые частицы — хватило бы только энергии. Медленные протоны и антипротоны при аннигиляции дают начало заряженным и нейтральным пионам (а быстрые — и другим частицам), которые распадаются на гамма-кванты, мюоны и нейтрино. В принципе, столкновение частицы и ее антикопии может дать на выходе любую из комбинаций частиц, не запрещенных принципами симметрии и законами сохранения.
В соответствии с уравнением Дирака, встреча электрона с позитроном имеет для них фатальные последствия – обе частицы исчезают. Столь удивительный прогноз и его экспериментальные подтверждения произвели сильное впечатление и на физиков, и на нефизиков – как никак, это был первый пример полной трансформации вещества в излучение. Новооткрытый эффект назвали аннигиляцией, что по-латыни означает полное уничтожение.
Может показаться, что аннигиляция ничем не отличается от прочих межчастичных взаимодействий, однако одна принципиальная особенность у нее имеется. Чтобы стабильные частицы, такие как протоны или электроны, при встрече породили ливень из экзотических обитателей микромира, их нужно как следует разогнать. Медленные протоны при встрече просто изменят свою скорость — этим дело и закончится. А вот протон и антипротон, сблизившись, либо претерпят упругое рассеяние и разойдутся, либо аннигилируют и произведут на свет вторичные частицы.
Все вышеописанное относится к аннигиляции свободных частиц. Если хотя бы одна из них входит в состав квантовой системы, в принципе ситуация остается прежней, но альтернативы изменяются. Например, аннигиляция свободного электрона и свободного позитрона никогда не может породить всего один квант — не позволяет закон сохранения импульса. Это легче всего увидеть, если работать в системе центра инерции сталкивающейся пары, — тогда начальный импульс будет равен нулю и потому никак не сможет совпасть с импульсом единичного фотона, куда бы тот ни улетел. Если же позитрон встретится с электроном, входящим, скажем, в состав атома водорода, возможна и однофотонная аннигиляция — в этом случае часть импульса передастся атомному ядру.
Основные пути поиска антиматерии - это регистрация излучения с энергией, характерной для аннигиляции, либо непосредственно регистрация античастиц по массе и заряду. Поскольку антипротоны и ядра антигелия не могут пролететь сквозь атмосферу, их регистрация возможна лишь с помощью инструментов, поднятых в высокие слои атмосферы на аэростатах, или орбитальных инструментов, таких как магнитный альфа-спектрометр AMS-01, доставленный на станцию "Мир" в 1998 году, или его значительно усовершенствованный собрат AMS-02 (на фотографии), который начнет свою работу на МКС в 2010 году.
Как насчет антиграва?
Английский физик Артур Шустер полагал, что антиматерия гравитационно отталкивается от обычной материи, но современная наука считает это маловероятным. Из самых общих принципов симметрии законов микромира следует, что античастицы должны притягиваться друг к другу силами тяготения, подобно частицам без приставки «анти». Вопрос о том, каково гравитационное взаимодействие частиц и античастиц, до конца еще не решен, однако ответ на него почти очевиден.
Для начала обратимся к эйнштейновской общей теории относительности. Она основана на принципе строгого равенства гравитационной и инертной масс, причем для обычного вещества это утверждение экспериментально подтверждено множеством точнейших измерений. Поскольку инертная масса частицы точно равна массе ее античастицы, представляется очень вероятным, что их гравитационные массы тоже равны. Однако это все-таки предположение, пусть и очень правдоподобное, и средствами ОТО оно недоказуемо.
Еще один аргумент против гравитационного отталкивания между веществом и антивеществом следует из квантовой механики. Вспомним, что адроны (частицы, принимающие участие в сильных взаимодействиях) сложены из кварков, склеенных глюонными связями. В состав каждого бариона входят три кварка, в то время как мезоны состоят из парных комбинаций кварков и антикварков, причем не всегда одних и тех же (мезон, в состав которого входят кварк и его собственный антикварк, является истинно нейтральной частицей в том смысле, что он полностью тождественен своему антимезону). Однако эти кварковые структуры нельзя считать абсолютно стабильными. Протон, например, скомпонован из двух u-кварков, каждый из которых несет элементарный электрический заряд +2/3, и одного d-кварка с зарядом -1/3 (поэтому заряд протона равен +1). Однако эти кварки в результате взаимодействия с глюонами могут на очень короткое время менять свою природу — в частности, превращаться в антикварки. Если частицы и античастицы гравитационно отталкиваются, вес протона (а также, естественно, нейтрона) должен давать слабые осцилляции. Однако до сих пор ни в единой лаборатории подобный эффект не обнаружили.
Антиматерия и млечный путь
В 1970-х годах астрономы при помощи гамма-телескопов, установленных на высотных аэростатах, обнаружили гамма-кванты с энергией 511 кэВ, приходящие из самого центра нашей Галактики — Млечного пути. Именно такая энергия характерна для аннигиляции свободных электронов и позитронов, что позволило предположить наличие облака антиматерии размерами около 10 000 световых лет.
Можно не сомневаться, что когда-нибудь на этот вопрос ответит Его Величество Эксперимент. Нужно-то немного — накопить побольше антивещества и посмотреть, как оно поведет себя в поле земного тяготения. Однако технически эти измерения невероятно сложны, и трудно предсказать, когда их удастся осуществить.