Античастицы. Аннигиляция.

И все же пора сказать об антиматерии, об античастицах. Тема выглядит фантастической, но это не фантастика. Антиматерия в самом деле существует, и я хочу дать хотя бы общее представление о ее свойствах.

Все началось в 1928 году. Николай Рерих вернулся из своей длиннющей экспедиции по Центральной Азии. Первый кукурузник (другое его название – «У-2») совершил свой первый полет, а Герберт Гувер стал президентом США. В этом году родился писатель-фантаст Роберт Шекли и погиб в Брюсселе, отравленный большевистским агентом, российский полководец Пётр Врангель.

А Поль Дирак (ударение на «и») – английский физик-теоретик, совершил в этом году, и опять-таки «на кончике пера», удивительное открытие. Описывая законы атомного мира, он получил некое уравнение, которое описывало частицу, полностью тождественную, абсолютно идентичную электрону, но с одним отличием – она имела положительный заряд. Эту частицу назвали «позитроном». Многие подумали, что это просто математические глюки, но Дирак относился к математике иначе – для него это было не просто какое-то ненужное, лишнее решение в созданных им уравнениях. Он был уверен, что этому решению соответствует настоящая, реальная частица. Частицу стали искать. И, черт возьми, в 1932 году ее нашли! Всё в тех же космических лучах. Немного позже Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри открыли особый вид радиоактивности, в которой также рождались позитроны – это была «β⁺-радиоактивность» в отличие от уже известной нам обычной β-радиоактивности, при которой испускаются электроны. Впоследствии было обнаружено, что многие изотопы испускают позитроны, в том числе углерод-11, азот-13, кислород-15, фтор-18, иод-121.

Из теории вытекало, и это опять таки было подтверждено практикой, что если электрон и позитрон встречаются вместе, то результатом является яркая вспышка взаимного уничтожения, или, говоря языком физики, «аннигиляция». Будущее показало что у каждой (!) частицы есть своя античастица, и во всех случаях взаимодействие частицы и античастицы приводит к аннигиляции.

Аннигиляция – это испускание высокоэнергетичных фотонов – гамма-квантов («γ-квант»). Естественно, из закона сохранения энергии вытекает, что энергия этого излучения должна быть равна исходной энергии пары «частица-античастица». Рассчитать эту энергию несложно, если вспомнить формулу E=mc²

У гамма-квантов очень маленькая длина волны, порядка 10^-4 нанометра, поэтому их корпускулярные проявления («корпускула» - частица) доминируют над волновыми. Гамма-излучение является еще более жестким, чем рентгеновское. Их проникающая способность, таким образом, еще больше, чем у рентгеновских лучей, и они не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда, то есть магнитным полем не отклоняются.

Еще одно удивительное явление, которое было зафиксировано экспериментально: иногда позитрон и электрон образуют пару, что-то вроде атома, где позитрон, имеющий всегда положительный заряд, играет роль ядра. Такой атом называется «атомарный позитроний», и он достаточно стабилен, чтобы успевать вступать в химические реакции, где проявляет себя подобно водороду. Совсем недавно – в 2007 году, была экспериментально доказана возможность существования «молекулярного позитрония» - системы, состоящей из двух позитрониев. Такая система еще менее устойчива, чем атомарный позитроний.

Если у каждой частицы есть античастица, почему тогда наша Вселенная, насколько мы ее видим, состоит почти полностью из обычных частиц? На этот вопрос до сих пор ответа нет. Существующая теория Большого Взрыва исходит из того, что в самые первые мгновения возникновения Вселенной количество электронов и позитронов было одинаковым, но что произошло дальше, мы пока не знаем настолько хорошо, чтобы объяснить – куда подевались античастицы. Во всяком случае, наша Вселенная потому и стабильна, что состоит только из одного вида частиц.