Антиматерия

    Откриването на неутрона разочаровало физиците в едно съществено отношение. Те били привикнали да мислят, че светът е изграден само от две фундаментални частици - протон и електрон. Сега трябвало да се прибави трета - неутрона. А за учените всяко отстъпление от простотата будило съжаление.

    Най-лошото било, че това било само началото. Отстъплението от простотата скоро се превърнало в неудържим спринт. Тепърва щели да се появяват нови частици.

 Антиелектронът или....позитрон

    Години наред физиците неспирно изучавали мистериозните "космически лъчи", открити за първи път през 1911 г. от австрийския физик Виктор Франсис Хес при полетите му с балон високо в атмосферата.

    Съществуването на тези лъчи било установено с един толкова прост уред, че дори скептиците, които вярвали, че научният прогрес може да се осъществи само с помощта на невероятно сложни устройства, били окуражени. Това става с т. нар. електроскоп, който представлява две тънки листенца златно фолио, прикрепени към метална пръчка в метален кожух с прозорчета.

    Когато металната пръчка се зареди със статично електричество, златните листчета се раздалечават. В идеалния случай те биха останали раздалечени завинаги, но йоните от околната атмокфера бавно отвеждат заряда, така че листчетата постепенно се приближават едно към друго. Йоните, необходими за такова изтичане на заряда, се получават в резултат на енергетично излъчване, като например рентгенови лъчи, гама-лъчи или поток от заредени частици.


    През 1930 г. Пол Ейдриън Дирак предложил теория, която отначало не предизвикала някаква сензация - всяка частица трябва да има своя "античастици". Следователно трябва да съществува "антиелектрон", който да е точно като електрона, но с положителен, а не отрицателен заряд, както и "антипротон" с отрицателен, а не положителен заряд.

    Само 2 години по-късно "антиелектронът" се появил. През 1934 г. американският физик Карл Дейвид Андерсън се заел да провери дали космическите лъчи, постъпващи в Уилсъновата камера, променят посоката си под действие на силно магнитно поле. За да забави лъчите, така че кривината да 

                        
Карл Дейвид Андерсън  е американски физик, носител на Нобелова награда за физика за 1936 година за откритието на позитрона. Снимка на пър­вия детек­ти­ран позит­рон от Carl D. Anderson, 15 март 1933 г.
 

може да се регистрира, Андерсън поставил в камерата оловна бариера с дебелина около 6 mm. Той установил, че след преминаването си през оловото космическото излъчване оставя наистина закривена траектория в камерата. Освен това тези космически лъчи били избили частици от оловните атоми. Една от тези частици оставила следа, която била точно като от електрон. Но завивала в обратната посока! Същата маса, но противоположен заряд. Това бил и Дираковия "антиелектрон"! Андерсън нарекъл откритието си "позитрон". Това е пример за вторично излачване, получено от космическите лъчи, а през 1963 г. било установено, че и първичните излъчвания съдържат позитрони.

    Когато две противоположни късчета материя (електрон - позитрон) се свържат, те взаимно се унищожават и материята изчезва (взаимна анихилация): от тях остава само енергия под формата на гама-лъчи. Това потвърждава предположението на Алберт Айнщайн, че материята може да се превръща в енергия и обратно.




 
    И действително Андерсън скоро успял да установи обратното явление: гама-лъчите (с енергия > 1,02 MeV) внезапно изчезват и се появява двойката електрон - позитрон. Това се нарича "раждане на двойка".

    Масите на електрона и позитрона, изразени в енергични единици (E=mc2), са равни на 0.51 MeV, поради това създаване на двойка електрони-позитрони е възможно само от фотон, чиято енергия е равна или по-голяма от 1.02 MeV.

 

Антипротонът

    Междувременно физиците успели да подобрят характеристиките на беватрона. През 1955 г. вниманието на  калифорнийските физици било насочено към получаването и откриването на антипротона. И това се случило: след бомбордирането на мед с протони с енергия 6,2 GeV в продължание на часове Оуен Чеймбърлейн и Емилио Дж. Сегре най-накрая уловили антипротона и по-точно 6 от тях. Идентифицирането им далеч не била лесна работа. С получаването на всеки антипротон възникват 40 000 други частици. Но благодарение на сложна система от детектори, конструирана и разположена така, че да реагира само на антипротони, те открили частицата. За постижението си двамата физици получили Нобелова награда за физика през 1959 г.    

    Антипротонът е също толкова мимолетен, колкото и позитронът - поне в нашата Вселена. За части от секундата след образуването си частицата бива грабната от някое нармално положително заредено ядро. Там антипротонът и един от пратоните на ядрото взаимно анихилират и се превръщат в енергия и по-малки частици. През 1965 г. бил осъществен и обратният процес - получаването на двойка протон - антипротон.

 

Антинеутронът

    От време на време протонът и антипротонът само се доближават, без да се сблъскват. Когато това се случи, те взаимно неутрализират зарядите си. Протонът се превръща в неутрон, но антипротонът става "антинеутрон"! А какво представлява един "антинеутрон"?

    От общите закономерности в квантовата теория следва, че частиците и античастиците (виж урока "Елементарни частици") трябва да имат еднакви маси, времена на живот във вакуум, еднакви по големина, но противоположни по знак електрични заряди, еднакви спинове. (Малко отклонение: Обикновено си представяме, че частицата се върти около оста си като пумпал както Земята. При това си въртене частицата създава слабо магнитно поле. Тези полета са били измерени от немския физик Ото Щерн и амариканския физик Изидор Айзак Раби. Спинът на частицата е много важна характеристика  и в зависимост от неговата стойност, всички частици са разделени на две групи:

  • взаимодействията между материалните частици се поддържат от частици със спин 0, 1 и 2, се наричат “бозони” – в чест на индийския физик Чатендраната Бозе;
  • веществото във Вселената се образува от частици с полуцяло число спин (т.е. спин-1/2, или 3/2“фермиони” в чест на Енрико Ферми)

 

  И така: антинеутронът е неутрон, чийто спин е противоположен: неговият магнитен полюс е примерно нагоре вместо надолу. 

    През 1956 г. в Калифорнийския университет със същия беватрон, с който е открит и антипротона, четиримата физици Уилям Венцел, Брус Корк, Глен Ламбертсън и Оресте Пициони открили антинеутрона.