В мире элементарных частиц происходят удивительные процессы. Один из самых впечатляющих — аннигиляция, превращение материи и антиматерии в чистую энергию.
Частицы и античастицы
Каждая частица в нашем мире имеет свою античастицу — точную копию с противоположным электрическим зарядом. Электрон встречает позитрон, протон — антипротон, нейтрон* — антинейтрон. Античастица - это своего рода "зеркальное отражение" обычной частицы. У нее:
- Та же масса;
- Тот же спин;
- То же время жизни;
- Но противоположный электрический заряд.
*Нейтрон и антинейтрон - частицы, не имеющие электрического заряда, но обладающие противоположными значениями:
- барионного числа (+1/-1), которое представляет собой нечто вроде "паспорта", определяющего "гражданство" частицы в мире материи или антиматерии;
- магнитного момента;
- кваркового состава (udd/ūd̄d̄).
При столкновении частицы и античастицы происходит полное взаимное уничтожение, и вся их масса превращается в энергию.
Самый простой и хорошо изученный случай — встреча электрона и позитрона. В момент столкновения частицы исчезают, превращаясь в два фотона, летящие в противоположных направлениях. Каждый фотон уносит энергию в 511 килоэлектронвольт (кэВ) — точно половину суммарной энергии покоя исходной пары частиц.
Великая загадка Вселенной
Аннигиляция, подчиняющаяся знаменитой формуле Эйнштейна E=mc², представляет собой самый эффективный процесс преобразования массы в энергию из всех известных науке.
Важно отметить, что аннигиляция — не просто теоретическая концепция. Она постоянно происходит в космосе, где античастицы рождаются при вспышках сверхновых, вблизи пульсаров и черных дыр, а также когда космические лучи сталкиваются с атомами межзвездного газа и космической пыли.
Аннигиляция — не просто явление, ограниченное космосом. Человечество активно изучает способы использования этого процесса в своих целях. Например, позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) в медицине, необходимая для получения детальных изображений внутренних органов, основана на механизме аннигиляции.
Согласно современным теориям, в ранней Вселенной количество материи лишь немного превышало количество антиматерии — примерно на одну миллиардную часть. Однако сегодня видимая Вселенная состоит практически полностью из обычной материи. Это одна из величайших загадок современной физики, известная как "проблема барионной асимметрии Вселенной".
Исследование процессов аннигиляции продолжается, ведь именно они могут дать ответы на фундаментальные вопросы: почему наша Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии, и как стало возможным само ее существование.
