Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
Процессом, в точности обратным аннигиляции электрона и позитрона с испусканием двух фотонов, является процесс образования электронно-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Его никто не наблюдал, потому что нет возможности получить достаточно интенсивные пучки фотонов большой энергии. Но никто не сомневается в том, что при наличии таких пучков процесс рождения электронно-позитронной пары двумя фотонами наблюдался бы. Для образования пары фотонов в поле ядра обратным будет процесс аннигиляции пары в поле ядра с образованием одного фотона. При этом присутствие ядра обеспечит сохранение энергии и импульса. Такой процесс действительно наблюдался, но процесс двухфотонной аннигиляции более вероятен, и он преобладает.
29. Поскольку речь идет о позитронах, нельзя не обратиться к проблеме частиц и античастиц. В своей современной форме квантовая электродинамика является теорией, в которой электроны и позитроны играют совершенно симметричную роль. Это общая черта всех наших теорий фундаментальных частиц: мы верим, что каждой частице соответствует своя античастица (некоторые частицы, как, например, нейтральный'пион, являются своими собственными
*) Заметим, что величину h/mc— 0,00386 А тоже часто называют комптоновской длиной волны.
**) См., например: Klemperer О. On the Annihilation Radiation of the Positron.— Proc. Cambr. Phil. Soc., 1934, v. 30, p. 347.
античастицами) и что мир симметричен относительно замены частицы античастицей *). Масса античастицы совпадает с массой частицы, но заряды их противоположны. Дальнейшим подтверждением этих идей явилось экспериментальное открытие существования протона и антипротона **).
Фундаментальным свойством частицы и античастицы является их способность аннигилировать с образованием, например, фотонов.
Рис, 29А. Звезда, возникшая от аннигиляции протона и антипротона в ядерной эмульсии. Этот рисунок является мозаикой из микрофотографий многих полей зрения, позволяющей увидеть следы различных частиц. Масштаб снимка показан в нижнем леком углу. У четырех следов часть пробега выброшена, чтобы придать рисунку удобные размеры. Горизонтальный след слева принадлежит антипротону. Перемещаясь в эмульсии, антипротон теряет энергию и замедляется. В конце концов он поглощается ядром эмульсин (по-видгмому, ядром углерода) и аннигилирует с одним из протоков ядра. При этом рождается несколько пионов (следы 2, 3, 5, 7, 8) и ядро разваливается па осколки. Следы / и 3, вероятно, принадлежат протону, а след 6 — более тяжелой частице, возможно ядру 3Н. Сумма полной кинетической энергии видимых (заряженных) частиц и энергии покоя пионов ка этом снимке близка к 1,3 ГэВ. След 5 принадлежит положительному пиону, который после остановки распадается на нейтрино (его след на снимке, конечно, не виден) и положительный мюо;;, в стою очередь распадающийся ка позитрон и два нейтрино (Scgre Е. Antinucleons.— Animal Rev. Nucl. Sci.
I95S.J v. 8, p. 127; эта работа является обзором ранних исследований антинуклонов)
Часто при аннигиляции могут возникать другие частицы. Например, протон и антипротон при аннигиляции могут переходить в мезоны, и этот процесс гораздо более вероятен, нежели образование фотонов.
30. Мы утверждаем, что частицы и античастицы во всех наших теориях играют совершенно симметричную роль. Почему же, спросит читатель, античастицы встречаются так редко? Почему так трудно было открыть позитрон, а тем более антипротон? Ответ
*) Опыты, выполненные в конце 50-х годов, показали, что слабые взаимодействия не обладают этим свойством инвариантности относительно замены частицы античастицей. В то время как сильные и электромагнитные взаимодействия удовлетворяют высказанному принципу симметрии, слабые взаимодействия его нарушают. Но сильные и электромагнитные взаимодействия являются доминирующими в нашем мире, поэтому можно сказать, что принцип симметрии почти (но не полностью) верен.
**) Об открытии антипротона см. работу: Chamberlain О-, Segr'e Е-, Wiegand C.r Ypsilantis T- Observation of Antiprotons.— Phys. Rev., 1955, v. 100, p. 947.
162
Рис. ЗОА. Снимок в жидководородной пузырьковой чамсге зарядово-обменного рассеяния антипротона протоном и последующей аннигпл иции возникшего антинейтрона и протона (рис. ЗОВ). Камера находится в магнитном поле, перпендикулярном к плоскости рисунка. (Попробуйте определить, куда направлено магнитное поле.) Нейтральные частицы не создают видимых следов, а заряженные частицы оставляют следы, искривленные благодаря магнитному полю. На снимке положительно заряженные частицы отклоняются по часовой стрелке. В верхнем правом углу фотографии видно еще одно интересное явление — распад положительного пиона на положительный мюон и нейтрино. За этим распадом следует распад мюона на позитрон (спиральный след), нейтрино и антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино нейтральны и не оставляют видимых следов
Рис. ЗОВ. Схема следов. З^и рисунки должны помочь опознать следы в пузырьковой камер е, показанные на рис. ЗОА. На рисунке слева в точке С происходит столкновение вошедшего в камеру антипротона с протоном. В результате обмена зарядами образуются нейтрон и анти* нейтрон. Штриховой линией показан невидимый след антинейтрона. В точке А антинейтрон аннигилирует с протоном. В этой реакции образуется пять заряженных пионов. Первичный антипротон является одной из отрицательных частиц, пересекающих камеру справа налево. По-видимому, все частицы в этом пучке являются антипротонами. На рисунке справа показаны следы заряженных частиц, возникающих в цепочке л—jo,—е-распадов (верхний правый угол рис. ЗОА). Спиральный след принадлежит позитрону. Перемещаясь в жидком водороде, он теояет энергию, и поэтому кривизна следа постоянно увеличивается. В конце концов позитрон аннигилирует с электроном жидкости
