Частицы, античастицы и их аннигиляция
Античастицы часто представляют более мистическими и загадочными, чем они есть на самом деле, и всё это благодаря научной фантастике и другим произведениям, вроде «Ангелов и демонов» Дэна Брауна.
У каждого типа частиц есть античастица. Обычно это отдельная частица, но бывает так, что античастица и частица – это одно и то же. Только частицы, удовлетворяющие определённым условиям (к примеру, электрически нейтральные) могут быть античастицами сами себе. Небольшой список примеров таких частиц – это фотоны, Z-частицы, глюоны и гравитоны. Возможно, три нейтрино. У всех остальных частиц есть отдельные античастицы, обладающие той же массой но противоположным электрическим зарядом. Нейтрон – пример электрически нейтральной частицы, не являющейся античастицей самой себе. Как и у протона, в нейтроне больше кварков, чем антикварков, а у антинейтрона больше антикварков, чем кварков.
Для частиц, отличающихся от античастиц, названия античастиц обычно достаточно очевидны (верхний антикварк, антинейтрино, антитау), за исключением антиэлектрона, который обычно называют позитроном.
Чем же так знаменита антиматерия, из-за чего она так загадочно звучит? Всё это благодаря утверждению «материя и антиматерия аннигилируют в чистую энергию». Это утверждение звучит круто, но оно несерьёзно. Оно не совсем неверно, но и не правдиво. Реальность более сложна и не так удивительна.
Часто для простоты физики опускают приставку «анти», когда из контекста она очевидна. Примеры:
• Во многих процессах появляются мюон и антимюон. Физики иногда называют это «мюонной парой».
• W-частица распадается на верхний кварк и нижний антикварк, и часто говорят, что она распадается «на кварки».
Аннигиляция частиц и античастиц
Аннигиляции частиц и античастиц посвящают множество материалов – это звучит загадочно, страшновато и фантастически – но это основные процессы, происходящие в сердце физики частиц, и такое их описание приводит к частому недопониманию. Я хочу описать немного основных правил, определяющих, превратятся ли частица и античастица одного типа в другую пару из частицы и античастицы, приближаясь друг к другу. Это не полная история аннигиляции частиц и античастиц, но хорошее начало.
В таком мире, как наш, управляемом квантовой механикой и относительностью Эйнштейна, существует математическая теорема: для каждого типа частиц есть соответствующий им тип античастиц с точно такой же массой. Это не просто теорема – для всех известных частиц античастицы были получены экспериментально, так что и спорить тут не о чем.
Однако некоторые частицы совпадают с античастицами: античастицей для фотона (частицы света) и будет фотон. То же самое будет для Z-частицы и частицы Хиггса. С другой стороны, у электрона с отрицательным (по определению) электрическим зарядом есть античастица, антиэлектрон или позитрон, с положительным зарядом. Почти у всех известных частиц это так: у мюона есть антимюон, у верхнего кварка – верхний антикварк, у W-частицы с положительным зарядом есть античастица W с отрицательным.
Если свести вместе частицу и античастицу, почти всех их свойства взаимно уничтожатся. К примеру, электрический заряд мюона (тяжёлого кузена электрона) плюс электрический заряд антимюона будет равен нулю. Первый отрицательный, второй положительный, но по размеру они равны. Единственное, что не уничтожается – это их массы и энергии. Правда, это утверждение с небольшим подвохом. Масса не «сохраняется» – она может появляться и исчезать, что для физики частиц очень даже хорошо. Единственное, что никуда не денется – это энергия. Энергия сохраняется: с какой вы начали, с такой и закончите.
1. Мюон и антимюон превращаются в два фотона
Допустим, у меня есть коробка из-под обуви, в которой нет ничего, кроме практически покоящихся мюона и антимюона. Тогда энергия внутри коробки равна энергии массы мюона и энергии массы антимюона. [«Практически» – потому что я опускаю электрическое поле между мюоном и антимюоном, но это весьма крохотный эффект, который в нашем случае можно проигнорировать.] Допустим, масса мюона будет M, тогда энергия массы мюона будет M c 2 , и то же будет верно для антимюона. Импульсы обеих частиц будут нулевыми, поскольку они не двигаются. Общая энергия E и импульс p в коробке изначально
Всё остальное в коробке равно нулю: суммарный электрический заряд, угловой момент, и т.п. Только энергия. И масса – но они связаны друг с другом.
Поскольку почти всё взаимно уничтожается, частица и античастица могут трансформироваться через одно из четырёх известных взаимодействий в другую частицу и её античастицу. К примеру, мюон и антимюон могут превратиться в фотон и второй фотон (помните, фотон сам себе античастица). У обоих фотонов будет энергия – но сколько? Ну, фотоны будут одинаковые, и у них будет одинаковая энергия, и поскольку она сохраняется, то общая конечная энергия будет такой же, как общая начальная:
Обратите внимание на то, какая крутая штука только что произошла: мы начали с массивных частиц, каждая из которых не двигалась, и не обладала энергией движения, зато обладала энергией массы M c 2 . А закончили с двумя безмассовыми частицами, без энергии массы, но с энергией движения, равной энергией массы мюонов:
M c 2 . См. рис. 1.
Рис. 1
Также у фотонов будут импульсы. Но импульсы двух фотонов будут разнонаправлены и взаимно уничтожатся, так что итоговый импульс будет нулевой.
Обратите внимание, что энергия сохраняется, импульс сохраняется, а масса – нет. Итоговая масса равна нулю, хотя начальная равна 2 M.
2. Мюон и антимюон превращаются в электрон и антиэлектрон
не только возможный процесс для аннигиляции частицы и античастицы, но и очень распространённый. Посмотрим на другой вариант для частицы 2.
Рис. 2
Вместо того, чтобы стать двумя фотонами, мюон и антимюон могут превратиться в электрон и позитрон (антиэлектрон), как на рис. 2. У обоих будет одинаковая масса; давайте назовём её m. Масса электрона примерно в 200 раз меньше массы мюона M. Во что превратятся мюон и антимюон, в фотоны или в пару электрон/позитрон, определяет случайность, но с вероятностью, описываемой уравнениями квантовой механики.
Та же логика, что и раньше, приводит нас к тому же заключению. У нас будет симметрия, электрон и позитрон, с одинаковой массой, одинаковой энергией, и благодаря закону сохранения общая энергия должна быть такой же, как начальная энергия мюона.
Ситуация немного другая: мы начали с массивных неподвижных частиц, не имеющих энергии движения и обладающих энергией массы M c 2 . А закончили с двумя массивными частицами, у каждой из которых энергия массы m c 2 и много энергии движения, причём общая энергия электрона равна энергии массы мюона M c 2 . Опять-таки импульс электрона взаимно уничтожается с импульсом позитрона:
Конечно, взаимно уничтожаются и их электрические заряды. До трансформации заряда в коробке не было, нет его и после. Энергия опять-таки сохраняется, импульс сохраняется, заряд сохраняется, а масса – нет. Начальная масса была 2M, а конечная – 2m.
Рис. 3
3. Электрон и антиэлектрон превращаются в два фотона
Покоящиеся электрон и позитрон могут превратиться в два фотона, точно так же, как мюон и антимюон. Все расчёты можно провести, сведя задачу к случаю с мюонами, просто заменяя везде M на m. Разницы нет (сравните рис. 1 и рис. 3).
4. Могут ли электрон и антиэлектрон превратиться в мюон и антимюон?
Нет и да. Ответ зависит от постановки вопроса:
• Нет, если электрон и позитрон изначально покоятся. Им не хватит энергии, чтобы создать мюон и антимюон, поэтому такой процесс не произойдёт.
• Да, если электрон и позитрон обладают большими энергиями движения и столкнутся очень сильно. Процесс может произойти, пока у них будет достаточно энергии.
Сначала давайте убедимся, что если электрон и позитрон покоятся – не обладают энергией движения – они не смогут превратиться в мюон и антимюон. Логика простая – нам нужно лишь вернуться к предыдущей задаче, в которой мюон и антимюон превращались в электрон и позитрон, и заменить везде мюон на электрон, антимюон на позитрон, M на m. Получится:
Но это невозможно! Мюон обладает энергией массы M c 2 , плюс положительной энергией движения. M > m. Получается противоречие:
Энергия мюона не может равняться m c 2 , как того требует сохранение энергии, поскольку M > m. Приходится признать, что этот процесс не может произойти.
Рис. 4
Однако именно то, почему эта попытка не срабатывает, и говорит нам, как можно достичь желаемого. Не нужно рассматривать покоящиеся электрон и позитрон. Давайте их ускорим – почти до скорости света, чтобы их энергии движения стали очень большими, и общие энергии (энергия массы и энергия движения) были ощутимо больше, чем m c 2 . Для простоты представим, что их начальная энергия стала равна M c 2 . Тогда общая начальная энергия в коробке будет 2 M c 2 , и для того, чтобы процесс пошёл, закон сохранения требует:
Что уже не противоречит требованиям предыдущего уравнения
Энергии электрона и позитрона едва хватает, чтобы создать покоящиеся мюон и антимюон (рис. 5).
Рис. 5
Если мы сделаем энергии электрона и позитрона даже больше, то сможем создать мюон и антимюон. Избыток энергии превратится в энергию движения мюона и антимюона, см. рис. 6.
Заметьте, что масса опять не сохраняется, хотя сохраняется энергия. В этом случае масса увеличилась, от 2m до 2M. Это очень важно для физики частиц! Это одна из основных техник, используемых нами для открытия новых частиц. Мы сталкиваем частицу и античастицу с очень большими энергиями движения, надеясь, что они превратятся в тяжёлую частицу, невиданную ранее, вместе с её античастицей.
Рис. 6
• Неподвижные частица и её античастица могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если начальная частица тяжелее конечной.
• Неподвижные частица и античастица не могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если конечная частица тяжелее начальной.
• Движущиеся друг относительно друга частица и её античастица могут аннигилировать, порождая более тяжёлые частицу и античастицу, если у них достаточно энергии движения.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы равна энергии массы более тяжёлой частицы, тогда получившиеся тяжёлая частица и античастица будут неподвижными.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы больше энергии массы более тяжёлой частицы, тогда излишки энергии превратятся в энергию движения более тяжёлых частицы и античастицы.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Аннигиляция частицы и античастицы ( § 7.7), например электрона и позитрона, с образованием только одного фотона невозможна, так как в системе отсчета, связанной с центром масс частицы и античастицы, полный импульс до аннигиляции равен нулю. Чтобы полный импульс был равен нулю и после аннигиляции, необходимо рождение по меньшей мере двух фотонов. [1]
Процессы рождения и аннигиляции частиц и их античастиц формально объясняются теорией Дирака как результат взаимодействия частиц и вакуума. Фермионы, находящиеся в вакууме ( при Esi — m0c2), необнаружимы, так как не могут принимать участия в каких-либо взаимодействиях: это означало бы, что они могут терять энергию и занимать более низкие уровни в зоне; для фермионов это невозможно ввиду принципа Паули ( стр. [2]
С увеличением энергии столкновения возрастает общая масса рождаемых при аннигиляции частиц и появляется возможность появления частиц все большей массы. Поэтому античастицы могут существовать только при отсутствии контакта с веществом. В частности, позитроны, стабильные частицы, которые в вакууме могут существовать бесконечно долго, в твердых телах живут меньше одной миллионной доли секунды. [3]
Существование энергии покоя наиболее ярко проявляется, например, при аннигиляции частицы и античастицы, когда вся их энергия покоя превращается в энергию у-излучения. Однако в большинстве физических процессов подавляющая часть энергии покоя ( и соответствующей ей массы покоя) в превращениях не участвует, и поэтому масса, определяемая взвешиванием, практически сохраняется, несмотря на то что тело поглощает или выделяет энергию. Например, при сгорании 1 кг водорода соединяется с 8 кг кислорода и при этом выделяется А. Такое изменение массы слишком мало, чтобы его можно было обнаружить взвешиванием. [4]
Гамма-излучение-электромагнитное ( фотонное) излучение, испускаемое при ядерных превращениях или аннигиляции частиц . [5]
Гамма-излучение — фотонное ( электромагнитное) ИИ, возникающее при самопроизвольном распаде ядер радиоактивных элементов и аннигиляции частиц . Атомы, которые имеют одинаковые заряды ядер, но различаются массовыми числами — изотопы одного и того же элемента. Изотопы принято обозначать символами соответствующих элементов с индексами внизу и вверху. Иногда изотоп обозначают только с верхним индексом. [6]
Гамма-излучение ( у-излучение) — фотонное ( электромагнитное) ионизирующее излучение, испускаемое при ядерных превращениях или аннигиляции частиц . [7]
Следующей информационной особенностью, которая может привести к концу света, является уменьшение избытка частиц над античастицами, не будь которого произошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц, что, в свою очередь, привело бы к уничтожению Вселенной и заполнению ее холодным фотонным газом. [8]
Излучение фотонов происходит при переходе молекул, атомов, ионов и атомных ядер в новое состояние с меньшими значениями энергии, при движении заряженных частиц с ускорением, при распаде и аннигиляции частиц . [9]
Излучение фотонов происходит при переходе молекул, атомов, ионов и атомных ядер в новое состояние с меньшими значениями энергии, при движении заряженных частиц с ускорением, при распаде и аннигиляции частиц . [10]
Тем не менее уже ясно, что рождению частицы должно соответствовать установление некоторого специфического относительно неизменного движения на уровне ниже уровня элементарных частиц, для чего требуется затрата определенного количества энергии. В свою очередь аннигиляция частицы должна соответствовать прекращению этого специфического движения и высвобождению соответствующего количества энергии. При этом существенно, что нужно отбросить представление об элементарных частицах как о неизменных материальных образованиях и начать рассматривать их лишь как относительно устойчивые сущности, появляющиеся при установлении определенных видов движения и исчезающие, когда эти движения прекращаются. [11]
Нужно подчеркнуть, что априори с точки зрения теории элементарных частиц такое предположение возможно, но вовсе не обязательно. Специально предпринимались поиски эффектов аннигиляции частиц и античастиц в пространстве между галактиками, состоящими из вещества, и галактиками, состоящими из антивещества. Эти поиски дали отрицательный результат, и поэтому более вероятным в настоящее время представляется предположение о зарядово-несимметричной Вселенной, в которой антибарионы имеются лишь в ничтожном количестве в составе космических лучей. [12]
Однако в физике ядерных процессов и явлений, происходящих при соударении быстро летящих атомных частиц, соответствующие изменения массы вполне измеримы и дают надежную оценку энергии, поглощаемой и выделяемой при таких процессах. Особенно показательно в этом отношении явление аннигиляции частиц ( или рождения пары частиц), когда две частицы одинаковой массы, но с противоположными зарядами ( например, электрон и позитрон) сталкиваются и их масса превращается в энергию электромагнитного излучения. Или лучше сказать так: в соответствии с законом сохранения энергии взаимодействующих частиц энергия перешла в такое количество энергии электромагнитного излучения, которое имеет массу, равную массе сталкивающихся частиц. Опыты атомной и ядерной физики не только подтверждают выводы теории относительности, но многие из них были поставлены на основе выводов этой теории. [13]
Если принять за первоисточники информации вакуумные поля пространства, то можно сказать, что в них не существует никаких частиц за исключением электрического и магнитных полей, которые способствуют зарождению первоисточников информации посредством взаимодействия излучений и бесконечных гармонических осцилляции так называемых береговых или внутрисистемных частиц, окружающих вакуумное поле. Таким образом, осцилляция и излучение являются информационной основой аннигиляции новых информационных частиц . При этом фактически происходит дематериализация имеющих массу электрона и позитрона в информацию — фотонное излучение, — которая в свою очередь, взаимодействуя с другой аналогичной информацией ( излучением), создает материализованную информационно-массовую частицу соответствующей микроструктуры. Тоже самое происходит при столкновении ( взаимодействии) протона и антипротона, которые, фактически теряя себя, превращаются в несколько Ti-мезонов. Последние, взаимодействуя между собой, фотонами и другими источниками информации ( информа-ционами), создают как было сказано выше внутри и вокруг искривленного вакуумного поля гармоническую осциляцию электромагнитного ( фонового) поля, являющегося информационным авто-генезисом Вселенной. [14]
Четвертое распределение — возбуждение в обратном направлении — с разрыхляющего уровня ( i 2) на незанятый связывающий уровень ( i 1) с аннигиляцией частицы ( i 2) и дырки ( i 1), так что восстанавливается заселенность основного состояния. [15]
Частицы, античастицы и их аннигиляция
• Во многих процессах появляются мюон и антимюон. Физики иногда называют это «мюонной парой».
• W-частица распадается на верхний кварк и нижний антикварк, и часто говорят, что она распадается «на кварки».
Аннигиляция частиц и античастиц
Аннигиляции частиц и античастиц посвящают множество материалов – это звучит загадочно, страшновато и фантастически – но это основные процессы, происходящие в сердце физики частиц, и такое их описание приводит к частому недопониманию. Я хочу описать немного основных правил, определяющих, превратятся ли частица и античастица одного типа в другую пару из частицы и античастицы, приближаясь друг к другу. Это не полная история аннигиляции частиц и античастиц, но хорошее начало.
В таком мире, как наш, управляемом квантовой механикой и относительностью Эйнштейна, существует математическая теорема: для каждого типа частиц есть соответствующий им тип античастиц с точно такой же массой. Это не просто теорема – для всех известных частиц античастицы были получены экспериментально, так что и спорить тут не о чем.
Однако некоторые частицы совпадают с античастицами: античастицей для фотона (частицы света) и будет фотон. То же самое будет для Z-частицы и частицы Хиггса. С другой стороны, у электрона с отрицательным (по определению) электрическим зарядом есть античастица, антиэлектрон или позитрон, с положительным зарядом. Почти у всех известных частиц это так: у мюона есть антимюон, у верхнего кварка – верхний антикварк, у W-частицы с положительным зарядом есть античастица W с отрицательным.
Если свести вместе частицу и античастицу, почти всех их свойства взаимно уничтожатся. К примеру, электрический заряд мюона (тяжёлого кузена электрона) плюс электрический заряд антимюона будет равен нулю. Первый отрицательный, второй положительный, но по размеру они равны. Единственное, что не уничтожается – это их массы и энергии. Правда, это утверждение с небольшим подвохом. Масса не «сохраняется» – она может появляться и исчезать , что для физики частиц очень даже хорошо. Единственное, что никуда не денется – это энергия. Энергия сохраняется: с какой вы начали, с такой и закончите.
1. Мюон и антимюон превращаются в два фотона
Допустим, у меня есть коробка из-под обуви, в которой нет ничего, кроме практически покоящихся мюона и антимюона. Тогда энергия внутри коробки равна энергии массы мюона и энергии массы антимюона. [«Практически» – потому что я опускаю электрическое поле между мюоном и антимюоном, но это весьма крохотный эффект, который в нашем случае можно проигнорировать.] Допустим, масса мюона будет M, тогда энергия массы мюона будет M c 2 , и то же будет верно для антимюона. Импульсы обеих частиц будут нулевыми, поскольку они не двигаются. Общая энергия E и импульс p в коробке изначально
Всё остальное в коробке равно нулю: суммарный электрический заряд, угловой момент, и т.п. Только энергия. И масса – но они связаны друг с другом.
Поскольку почти всё взаимно уничтожается, частица и античастица могут трансформироваться через одно из четырёх известных взаимодействий в другую частицу и её античастицу. К примеру, мюон и антимюон могут превратиться в фотон и второй фотон (помните, фотон сам себе античастица). У обоих фотонов будет энергия – но сколько? Ну, фотоны будут одинаковые, и у них будет одинаковая энергия, и поскольку она сохраняется, то общая конечная энергия будет такой же, как общая начальная:
Обратите внимание на то, какая крутая штука только что произошла: мы начали с массивных частиц, каждая из которых не двигалась, и не обладала энергией движения, зато обладала энергией массы M c 2 . А закончили с двумя безмассовыми частицами, без энергии массы, но с энергией движения, равной энергией массы мюонов:
M c 2 . См. рис. 1.
Рис. 1
Также у фотонов будут импульсы. Но импульсы двух фотонов будут разнонаправлены и взаимно уничтожатся, так что итоговый импульс будет нулевой.
Обратите внимание, что энергия сохраняется, импульс сохраняется, а масса – нет. Итоговая масса равна нулю, хотя начальная равна 2 M.
2. Мюон и антимюон превращаются в электрон и антиэлектрон
не только возможный процесс для аннигиляции частицы и античастицы, но и очень распространённый. Посмотрим на другой вариант для частицы 2.
Рис. 2
Вместо того, чтобы стать двумя фотонами, мюон и антимюон могут превратиться в электрон и позитрон (антиэлектрон), как на рис. 2. У обоих будет одинаковая масса; давайте назовём её m. Масса электрона примерно в 200 раз меньше массы мюона M. Во что превратятся мюон и антимюон, в фотоны или в пару электрон/позитрон, определяет случайность, но с вероятностью, описываемой уравнениями квантовой механики.
Та же логика, что и раньше, приводит нас к тому же заключению. У нас будет симметрия, электрон и позитрон, с одинаковой массой, одинаковой энергией, и благодаря закону сохранения общая энергия должна быть такой же, как начальная энергия мюона.
Ситуация немного другая: мы начали с массивных неподвижных частиц, не имеющих энергии движения и обладающих энергией массы M c 2 . А закончили с двумя массивными частицами, у каждой из которых энергия массы m c 2 и много энергии движения, причём общая энергия электрона равна энергии массы мюона M c 2 . Опять-таки импульс электрона взаимно уничтожается с импульсом позитрона:
Конечно, взаимно уничтожаются и их электрические заряды. До трансформации заряда в коробке не было, нет его и после. Энергия опять-таки сохраняется, импульс сохраняется, заряд сохраняется, а масса – нет. Начальная масса была 2M, а конечная – 2m.
Рис. 3
3. Электрон и антиэлектрон превращаются в два фотона
Покоящиеся электрон и позитрон могут превратиться в два фотона, точно так же, как мюон и антимюон. Все расчёты можно провести, сведя задачу к случаю с мюонами, просто заменяя везде M на m. Разницы нет (сравните рис. 1 и рис. 3).
4. Могут ли электрон и антиэлектрон превратиться в мюон и антимюон?
Нет и да. Ответ зависит от постановки вопроса:
• Нет, если электрон и позитрон изначально покоятся. Им не хватит энергии, чтобы создать мюон и антимюон, поэтому такой процесс не произойдёт.
• Да, если электрон и позитрон обладают большими энергиями движения и столкнутся очень сильно. Процесс может произойти, пока у них будет достаточно энергии.
Сначала давайте убедимся, что если электрон и позитрон покоятся – не обладают энергией движения – они не смогут превратиться в мюон и антимюон. Логика простая – нам нужно лишь вернуться к предыдущей задаче, в которой мюон и антимюон превращались в электрон и позитрон, и заменить везде мюон на электрон, антимюон на позитрон, M на m. Получится:
Но это невозможно! Мюон обладает энергией массы M c 2 , плюс положительной энергией движения. M > m. Получается противоречие:
Энергия мюона не может равняться m c 2 , как того требует сохранение энергии, поскольку M > m. Приходится признать, что этот процесс не может произойти.
Рис. 4
Однако именно то, почему эта попытка не срабатывает, и говорит нам, как можно достичь желаемого. Не нужно рассматривать покоящиеся электрон и позитрон. Давайте их ускорим – почти до скорости света, чтобы их энергии движения стали очень большими, и общие энергии (энергия массы и энергия движения) были ощутимо больше, чем m c 2 . Для простоты представим, что их начальная энергия стала равна M c 2 . Тогда общая начальная энергия в коробке будет 2 M c 2 , и для того, чтобы процесс пошёл, закон сохранения требует:
Что уже не противоречит требованиям предыдущего уравнения
Энергии электрона и позитрона едва хватает, чтобы создать покоящиеся мюон и антимюон (рис. 5).
Рис. 5
Если мы сделаем энергии электрона и позитрона даже больше, то сможем создать мюон и антимюон. Избыток энергии превратится в энергию движения мюона и антимюона, см. рис. 6.
Заметьте, что масса опять не сохраняется, хотя сохраняется энергия. В этом случае масса увеличилась, от 2m до 2M. Это очень важно для физики частиц! Это одна из основных техник, используемых нами для открытия новых частиц. Мы сталкиваем частицу и античастицу с очень большими энергиями движения, надеясь, что они превратятся в тяжёлую частицу, невиданную ранее, вместе с её античастицей.
Рис. 6
• Неподвижные частица и её античастица могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если начальная частица тяжелее конечной.
• Неподвижные частица и античастица не могут аннигилировать, порождая частицу и античастицу, если конечная частица тяжелее начальной.
• Движущиеся друг относительно друга частица и её античастица могут аннигилировать, порождая более тяжёлые частицу и античастицу, если у них достаточно энергии движения.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы равна энергии массы более тяжёлой частицы, тогда получившиеся тяжёлая частица и античастица будут неподвижными.
• Если сумма энергии массы и энергии движения частицы больше энергии массы более тяжёлой частицы, тогда излишки энергии превратятся в энергию движения более тяжёлых частицы и античастицы.
В чем заключается явление аннигиляции частицы и античастицы
Аннигиляция частиц. Нейтрино и постоянная Планка. Фотон и антифотон.
5. Основные принципы появления нейтрино при частичной (неполной) аннигиляции дробных частиц.
5.1. Допущения по процессу взаимодействия дробных частиц 2/3 и 1/3 (ядер кварков) с «целыми» электронами или позитронами полностью аналогичны допущениям принятых для описания процесса классической аннигиляции (см. пункт-3). Однако процесс частичной аннигиляции с участием целых и дробных частиц заметно отличается от классической (полной) аннигиляции электрона и позитрона, по следующим причинам:
а) поскольку скорость аннигиляции (горения) и частота «пульсаций» является постоянной величиной (const) и не зависит от габаритов и массы частиц, то длина волны и частота любого нейтрино полностью идентична длине волны и частоте обычного гамма-фотона ( l = 2.43*10 -12 м , f = 1,2356*10 20 гц);
б) дробная частица не может обеспечить зону реакции (горения) необходимым (эквивалентным) количеством вещества, поэтому чем меньше масса частицы (и, следовательно, её габариты), тем меньше материи частиц сгорает за единицу времени и тем меньше амплитуда фотона. См. рис.4.
Рис. 4. Сравнительная схема образования фотонов при классической аннигиляции электрон-позитронной пары (Рис. 4а) и частичной (неполной) аннигиляции дробных частиц (Рис.4б,4в). На схеме видно, что все фотоны при одинаковой частоте (const) имеют различную амплитуду (А 1 , А 2 , А 3 ). Указанные значения величины амплитуды приняты условно и для визуализации численно соответствуют фактическим значениям энергий образовавшихся гамма-фотона и нейтрино . Пояснения:
5.2. Классическая аннигиляция позитрона и электрона. Рис. 4а.
При классической аннигиляции материя позитрона и электрона превращается в два гамма-фотона энергией по 0,51 МэВ, которые выбрасываются в противоположные стороны. При этом электромагнитное поле образующегося гамма-фотона возрастает от нуля до максимума и вновь падает до нуля. Максимальная «амплитуда» этого гамма-фотона условно обозначена А1 = 0,51, а его параметры связаны формулой E = h* f или 0,511МэВ = 4,136*10 -15 * 1,2356*10 20 гц, где h = 4,136*10 -15 эв*сек — постоянная Планка.
5.3. Частичная аннигиляция позитрона и дробной частицы (-1/3). Рис.4б.
Дробная частица (-1/3) является основой (ядром) кварка (d). Взаимодействие дробной частицы (-1/3) и позитрона (+3/3) сопровождается появлением новой дробной частицы (+2/3) и одного электронного антинейтрино с энергией 0,17 + 0,17 = 0,34 МэВ. При этом, поскольку скорость аннигиляции (скорость «горения» и частота «пульсаций») является постоянной величиной (const) и не зависит от габаритов и массы частиц, то длина волны и частота нейтрино полностью идентична длине волны и частоте обычного гамма-фотона L = 2.43*10 -12 м , f = 1,2356*10 20 гц;
5.4. Энергия любого фотона электромагнитного излучения определяется формулой E = h * f , где h — постоянная Планка. И для обычных фотонов это условие полностью справедливо для всего диапазона частот при h = 4,136*10 -15 эв*сек. Однако, в данном случае:
— с одной стороны энергия нейтрино составляет 0,34 МэВ;
— с другой стороны частота всех нейтрино составляет f = 1,2356*10 20 гц. Таким образом, возникла ситуация, когда параметры этого нейтрино не могут быть описаны формулой E = h* f в которой h = 4,136*10 -15 эв*сек является постоянной величиной (постоянной Планка). В этом случае у «первичного» нейтрино его «непостоянная Планка» будет равна H = 2,757* 10 -15 эв*сек.
5.5. При реакциях бета-перестройки нейтрона в протон к первичному нейтрино (0,34Мэв) прибавляются излишки материи оболочки кварка (0,44МэВ). Эти суммарные излишки энергии в размере 0,78МэВ практически сразу перераспределяются в произвольных пропорциях между нейтрино и выделяющимся электроном. (Принципы распределения излишков энергии между частицами приведены в пункте 3.5. работы [6]). Поэтому при бета-распаде нейтрона энергия выделяющихся нейтрино может принимать любые значения от
0,7МэВ. В этом случае «непостоянная Планка» также будет принимать любые значения в диапазоне от
5,67* 10 -15 эв*сек (минимальная энергия вылетающего электрона принимается равной 10% от максимума).
5.6. Тем не менее, в отдельных (довольно редких) случаях может происходить выделение нейтрино с энергией 0,511МэВ, то есть фактически с энергией обычных гамма-фотонов (с постоянной Планка h = 4,136*10 -15 эв*сек). Такие гамма-фотоны спокойно регистрируются существующими приборами. Цитата: «В 2005 году был обнаружен предсказанный ранее радиационный бета-распад нейтрона с излучением гамма-кванта (вместо нейтрино). Данный канал распада реализуется с вероятностью 0,32 ± 0,16 %. Результат ожидает подтверждения».
5.4. Частичная аннигиляция электрона и дробной частицы (+2/3). Рис.4в.
Дробная частица (+2/3) является основой (ядром) кварка ( u ). Взаимодействие дробной частицы (+2/3) и электрона (-3/3) сопровождается появлением новой дробной частицы (-1/3) и одного электронного нейтрино с энергией 0,34 + 0,34 = 0,68 МэВ. При этом:
а) при реакции электронного захвата:
протон + электрон + энергия = нейтрон + нейтрино
нейтрино выделяется с энергией 0,68 МэВ практически монохромного спектра (без учета энергии отдачи ядра). В этом случае параметры этого нейтрино не могут быть описаны формулой E = h* f в которой h = 4,136*10 -15 эв*сек является постоянной Планка. Для данного нейтрино его «непостоянная Планка» будет равна H = 5,514* 10 -15 эв*сек.
б) при реакции бета-плюс-распада: протон + энергия = нейтрон + позитрон + нейтрино, выделившаяся энергия в размере 0,68МэВ практически сразу перераспределяются в произвольных пропорциях между нейтрино и «вылетающим» позитроном. Поэтому, при неизменной частоте f = 1,2356*10 20 гц, энергия фотонов-нейтрино будет иметь любые значения от
0,612 МэВ. В этом случае «непостоянная Планка» также будет принимать любые значения в диапазоне от
4,95 эв*сек ( минимальная энергия вылетающего позитрона принимается равной
10% от максимума). Это означает, что в отдельных (довольно редких) случаях возможно выделение фотонов-нейтрино с энергией 0,511МэВ, то есть фактически обычных гамма-фотонов с постоянной Планка h = 4,136*10 -15 эв*сек.
6.1. Все выделяющиеся в Природе нейтрино образуются только в результате взаимодействия (частичной аннигиляции) дробных частиц 2/3 и 1/3 (ядер кварков и антикварков) с «целыми» электронами или позитронами, либо при взаимодействии (частичной или полной аннигиляции) дробных частиц 2/3 и 1/3 между собой. Других вариантов (способов) появления первичных нейтрино — не существует.
6.2. Все первичные нейтрино имеют одинаковую частоту и длину волны, которая не зависит от размеров исходных взаимодействующих «родительских» частиц.
6.3. Первичные н ейтрино — это разновидность фотонов электромагнитного излучения с «непостоянной» Планка, которая может принимать значения в широких пределах, теоретически от
5,515 эВ*сек. Например: при распаде нейтрона расчетная «непостоянная» Планка для первичного нейтрино составляет максимум H = 2,757* 10 -15 эв*сек.
6.4. В связи с этим нейтрино не могут быть зафиксированы существующими средствами регистрации, поскольку функционирование этих приборов основано на процессах преобразовании электромагнитной энергии фотонов в кинетическую энергию частиц и происходят только при условии, если параметры фотонов будут связаны между собой фундаментальной физической константой — постоянной Планка h = 4,136*10 -15 эв*сек .
6.5. Нейтрино могут быть зарегистрированы только на «кварковом уровне», то есть в процессах с обязательным участием кварков (процессы «обратного» бета-распада), при которых происходит перестройка кварков u в кварки d (и наоборот).
6.6. Примечание: Принятое в данной работе утверждение о постоянной скорости горения для всех частиц (целых и дробных) считаю справедливым и обоснованным. Однако есть доля вероятности, что скорость горения (и, следовательно, частота и амплитуда нейтрино) может зависеть от начальных размеров (габаритов) частиц. Например: чем меньше заряды (и габариты) дробных частиц — тем быстрее они притягиваются к электрону или позитрону и тем быстрее они «сгорают». Это трудно доказуемо, однако если это допущение справедливо, то в итоге мы просто получаем две индивидуальные (для нейтрино и антинейтрино) «фиксированные» частоты вместо одной и конечная ситуация с появлением «непостоянной» Планка не меняется.
Часть 2. Нейтрино и антинейтрино.
2.1. Теория первого лепестка.
2.1.1. Наиболее изученными процессами, которые сопровождаются появлением двух «сортов» НЕЙТРИНО (нейтрино и антинейтрино) являются реакции бета-распада. Эти реакции происходят только после образования внутри одного из кварков электрон-позитронной пары и дальнейшего взаимодействия (частичной, неполной аннигиляции) «целого» электрона или позитрона с дробной частицей (ядром) кварка:
дробная частица (-1/3) + позитрон (+3/3) = дробная частица (+2/3) + антинейтрино (бета-распад нейтрона)
дробная частица (+2/3) + электрон (-3/3) = дробная частица (-1/3) + нейтрино (бета-плюс-распад, электронный захват)
Таким образом, выделяющиеся в процессе бета-распада нейтрино и антинейтрино образуются только в результате взаимодействия (частичной аннигиляции) дробных частиц +2/3 и -1/3 (ядер кварков) с «целыми» электронами или позитронами.
2.1.2. Появление двух нетождественных частиц (нейтрино и антинейтрино) может быть легко объяснено с использованием так называемой «теории первого лепестка», которая заключается в следующем:
а) все обычные фотоны и все нейтрино представляет собой совокупность двух электрических (плюс и минус) и двух магнитных (S и N) полей, значения которых возрастают от нуля до некоторого максимума и вновь падают до нуля и представляют собой синусоиду с круговой правой или левой поляризацией;
б) вполне естественно, что у каждой синусоиды существует первый лепесток (начало фотона), который в данном случае (для электрических полей) может быть либо полем-плюс, либо полем-минус. С м. рис.5.
Рис. 5. Первый лепесток синусоиды. Первый лепесток синусоиды может быть либо плюс, либо минус.
2.1.3. Для описания процесса формирования у нейтрино первого лепестка синусоиды условно принимаются следующие допущения:
а) взаимодействие (горение) частиц происходит в пульсирующем режиме;
б) появление первого лепестка начинается с проскакивания «первой искры» между частицами;
б) в данной работе принимается, что первая искра проскакивает от меньшей по размеру дробной частицы (-1/3 или +2/3) к большей частице (позитрону или электрону). См. рис. 6.
Рис. 6. Принцип формирования первого лепестка антинейтрино и нейтрино при бета-распаде. На рисунке видно, что при проскакивании первой искры от частицы-минус к частице-плюс первый лепесток у синусоиды всегда будет поле-минус (и магнитное поле- N ), а при проскакивании первой искры от частицы-плюс к частице-минус первый лепесток у синусоиды всегда будет поле-плюс (и магнитное поле- S ).
2. 2. Формирование антинейтрино. Рис. 6.1.
2.2.1. Процесс формирования первого лепестка антинейтрино при реакции бета-распада нейтрона начинается с проскакивания «первой искры» от дробной частицей -1/3 к позитрону, из которой формируется первый лепесток-минус. Одновременно с этим впритык с лепестком-минус зеркально-симметрично формируется магнитный лепесток- N .
2.2.2. У всех фотонов и у всех нейтрино электрические и магнитные поля взаимно перпендикулярны, поэтому у антинейтрино магнитный лепесток- N обязан повернуться (и поворачивается) на 90 0 по часовой стрелке или против. Затем это круговое вращение автоматически повторяет второй лепесток (лепесток-плюс) и далее последовательно все остальные лепестки по всей длине антинейтрино.
2.2.3. Таким образом: антинейтрино формируется при проскакивании «первой искры» от дробной частицей-минус к позитрону, поэтому первый лепесток у антинейтрино всегда будет поле-минус и магнитное поле- N .
2. 3. Формирование нейтрино. Рис. 6.2.
2.3.1. Процесс появления нейтрино при бета-перестройке протона в нейтрон аналогичен процессу появления антинейтрино и начинается с проскакивания «первой искры» между частицами и происходит в следующей последовательности:
а) от дробной частицы +2/3 (ядра кварка u) в сторону электрона проскакивает первая искра (искра-плюс), которая формирует первый лепесток-плюс.
а) впритык с лепестком-плюс зеркально-симметрично формируется магнитный лепесток- S ;
б) у всех фотонов и у всех нейтрино электрические и магнитные поля взаимно перпендикулярны, поэтому у нейтрино магнитный лепесток- S обязан повернуться (и поворачивается) на 90 0 по часовой стрелке (или против). Затем это круговое вращение автоматически повторяет второй лепесток (лепесток-минус) и далее последовательно все остальные лепестки по всей длине нейтрино.
2.3.2. Таким образом: нейтрино формируется при проскакивании «первой искры» от дробной частицей-плюс к электрону, поэтому первый лепесток у нейтрино всегда будет поле-плюс и магнитное поле- S .
2.3.3. Кроме приведённых наиболее изученных двух вариантов взаимодействия дробных частиц (-1/3) и (+2/3), которые являются ядрами кварков d и u , существует ещё аналогичные взаимодействия с участием дробных «античастиц» (-2/3) и (+1/3). Эти частицы являются ядрами антикварков u и d и входят в состав антипротонов и антинейтронов. При взаимодействии этих частиц также выделяются нейтрино и антинейтрино. См. рис.7.
Рис.7. Принципы формирования первых лепестков при частичной аннигиляции частиц (-1/3) и (+2/3) и «античастиц» (-2/3) и (+1/3).
Рис. 7.1. Аннигиляция частиц. Эти взаимодействия происходят при бета-перестройке нейтронов и протонов.
Рис. 7.2. Аннигиляция «античастиц». Эти взаимодействия происходят при бета-перестройке антинейтронов и антипротонов.
2.3.4. Таким образом:
Рассмотрение схем процессов формирования первых лепестков при частичной аннигиляции дробных частиц (-1/3) и (+2/3) и их «античастиц» позволяет сделать однозначные выводы, что:
а) «конструкция» нейтрино не зависит от размеров участвующих в реакции дробных частиц;
б) нейтрино любых энергий отличаются друг от друга только зарядом и магнитным полем первого лепестка: либо лепесток-минус и магнитное поле- N (антинейтрино) либо лепесток-плюс и магнитное поле- S (нейтрино);
в) энергия «первичных» нейтрино может иметь только два значения: либо 0,34Мэв (если в реакции участвует одна частица 1/3) либо 0,68Мэв (если в реакции участвует одна частица 2/3).