Антипротон
Антипротон — античастица по отношению к протону. Масса и спин антипротона такие же, как у протона, барионное число B=-1. Электрический заряд (и магнитный момент) антипротона отрицателен и равен по абсолютной величине электрическому заряду (магнитному моменту) протона.
Антипротон был впервые обнаружен экспериментально в 1955 О.Чемберленом (О.Chamberlain), Э.Сегре (Е.Segre), К.Вигандом (С.Wiegand) и Т.Ипсилантисом (Т.Ypsilantis) в Беркли (США) на ускорителе протонов с максимальной энергией 6,3 ГэВ. Вследствие сохранения барионного числа рождение антипротона должно сопровождаться рождением протона, поэтому для рождения антипротона необходимо, чтобы суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц в системе центра масс превышала энергию покоя пары протон-антипротон. Это условие выполнялось на ускорителе в Беркли для соударения протонов с ядрами мишени. Опыт был поставлен следующим образом. Пучок протонов из ускорителя падал на медную мишень, в которой в результате взаимодействия протонов с ядрами меди рождались различные частицы. Магниты отбирали отрицательно заряженные частицы (преимущественно π-мезоны), отклоняя их в направлении черенковских счетчиков, измерявших скорость частиц. Отождествление частицы с антипротоном проводилось по величине ее массы, которая определялась из соотношения между импульсом (измеряемым но отклонению в магнитном поле) и скоростью частицы. В опыте рождалось несколько антипротонов на 1011 столкновений протонов с мишенью.
Результаты были опубликованы в Phys. Rev. 100, 947–950 (1955), а сама работа принесла её авторам Нобелевскую премию по физике за 1959 год.
В отсутствие вещества антипротон, как и протон, с очень высокой степенью точности стабилен. В веществе "время жизни" медленного антипротона определяется скоростью его аннигиляции.
Антипротоны могут рождаться в высокоэнергетических столкновениях нуклонов с довольно высокой вероятностью. В настоящее время антипротоны получают в больших количествах и используют для протон-антипротонных коллайдеров. Кроме того, антипротоны наблюдаются и в космических лучах.
Кулоновское притяжение между протонами и антипротонами могло бы, в принципе, приводить к образованию их связанного состояния, аналогичного позитронию. Однако, несмотря на многолетние исследования, убедительных доказательств существования этого связанного состояния пока нет. В 2003 году коллаборация BES в Пекине представила новые данные, которые могут быть интерпретированы и как проявление связанного состояния протона и антипротона. Эти результаты пока продолжают обсуждаться научным сообществом.
Как и для любой другой античастицы, антипротон может аннигилировать при встрече с протоном. Экспериментальные исследования показывают, что аннигиляция низкоэнергетических протонов и антипротонов идёт с образованием 4-5 пи-мезонов. При высоких энергиях вероятность аннигиляции протона и антипротона понижается, и сечение этого процесса приближается к сечению процесса столкновения протона с протоном, в согласии с теоремой Померанчука.
Наблюдение антипротонов в космических лучах указывает на наличие космических источников антипротонов. Таким источником может быть взаимодействие высокоэнергичных частиц космических лучей с межзвездным веществом. Антипротоны могут также рождаться, например, в оболочке пульсара при взаимодействии с ее веществом высокоэнергичных частиц, ускоряемых магнитным полем пульсара, а также в окрестности активного ядра Галактики. В связи с превышением наблюдаемого потока космических антипротонов (особенно в области энергий < 1 ГэВ) над ожидаемым от естественных источников обсуждались такие возможные механизмы рождения антипротонов, как испарение первичных черных дыр, рождение антипротонов в распадах или при аннигиляции гипотетических тяжелых метастабильных частиц (например, гравитино, фотино), предсказываемых некоторыми моделями великого объединения и супергравитации и др. Последний механизм может служить основой проверки по космологическим следствиям таких предсказаний этих моделей, которые не могут быть непосредственно проверены в современных лабораторных условиях (например, масс гипотетических суперсимметричных частиц; см. Суперсимметрия), но могут отражаться в астрофизических данных, напр, о распространенности легких элементов во Вселенной.