São chamadas partículas que possuem as mesmas características, mas possuem sinais de cargas opostos. Antipartículas

Um conjunto de elementos. partículas com os mesmos valores de massa e outras propriedades físicas. característica que seus “duplos” são ch-tsy, mas diferem deles no sinal de certas características (por exemplo, carga elétrica, momento magnético). O nome "ch-tsa" e "A." até certo ponto condicional: pode-se chamar um antielétron (um elétron com carga positiva) de h-ce, e um elétron - A. No entanto, os átomos da substância na parte observável do Universo contêm elétrons com negativo. carga e os prótons têm carga positiva. Portanto, para aqueles conhecidos desde o início. 20 anos século 20 elemento. h-ts - el-n e próton (e mais tarde nêutron) o nome “partícula” foi adotado.

A conclusão sobre a existência de A. foi feita pela primeira vez em 1931. físico P. Dirac. Ele trouxe o parente. quântico. equação para el-n (equação de Dirac), que se revelou simétrica em relação ao sinal do elétrico. carga: junto com carga negativa. e-nom descreveu uma carga positiva. h-tsu da mesma massa - antielétron. Segundo a teoria de Dirac, a colisão de uma partícula e de um átomo deveria levar à sua aniquilação - o desaparecimento desse par, a partir do qual nascem duas ou mais outras partículas, por exemplo. fótons.

Em 1932, os antielétrons foram descobertos experimentalmente por Amer. físico K. Anderson. Ele fotografou chuvas produzidas por raios cósmicos em uma câmara de nuvens colocada em um campo magnético. campo. Cobrar ch-tsa se move em magnético. o campo ao longo de um arco de círculo, e partículas com cargas de sinais diferentes são desviadas pelo campo em direções opostas. Junto com os então conhecidos traços de elétrons rápidos, Anderson descobriu em fotografias exatamente a mesma aparência. os traços parecem ter carga positiva. h-ts da mesma massa. Essas partículas foram chamadas de pósitrons. A descoberta do pósitron foi uma brilhante confirmação da teoria de Dirac. A partir daí iniciou-se a busca por outro A..

Em 1936 também para o espaço. os raios foram detectados negativos. e coloque-o no chão. múons (m- e m+), que são iguais e iguais entre si. Em 1947 foi descoberto que os múons cósmicos. os raios surgem como resultado do decaimento de mésons h-c - pi ligeiramente mais pesados (p-, p+). Em 1955, os primeiros antiprótons foram detectados em experimentos com aceleradores. Física. O processo que resultou na formação de antiprótons foi o nascimento de um par próton-antipróton. Um pouco mais tarde, os antinêutrons foram descobertos. Em 1981, A. em quase todas as cervejas conhecidas havia sido descoberta experimentalmente. tsk.

Os princípios gerais da teoria quântica de campos nos permitem tirar uma série de conclusões profundas sobre as propriedades de uma partícula e de um elétron: a massa, spin, spin isotópico, tempo de vida de uma partícula e sua energia devem ser os mesmos (em particular, estável partículas correspondem ao estável A.); não apenas a energia elétrica deve ser idêntica em magnitude, mas também oposta em sinal. cargas (e momentos magnéticos) partículas e a., mas também todos os outros quantum. números que são atribuídos às pessoas para descrever os padrões de suas ações: carga bariônica, carga leptônica, estranheza, “encanto”, etc. Uma pessoa que possui todas as características que a distinguem de A., são iguais a zero, chamadas verdadeiramente neutro; ch-tsa e A. tais ch-ts são idênticos. Estes incluem, por exemplo, fótons, mésons p0 e h, partículas J/y e Y.

Até 1956, acreditava-se que havia simetria completa entre hts e A. Isso significa que se kl é possível. processo entre partículas, então exatamente o mesmo processo deve existir entre A. Em 1956 foi descoberto que tal simetria existe apenas no forte e el.-magnético. em vista. Num choque fraco, foi descoberta a violação da simetria da partícula A. (veja CONEXÃO DE CARGA). A antimatéria pode, em princípio, ser construída a partir de átomos exatamente da mesma forma que as substâncias a partir da matéria negra. Porém, a possibilidade de aniquilação ao encontrar os negros não permite que A. dure muito tempo. tempo de existir na aldeia. A. só pode “viver” por muito tempo se houver total ausência de contato com os membros da ilha. A evidência da presença de antimatéria em algum lugar “próximo” do Universo seria uma aniquilação poderosa. radiação que chega à Terra vindo da região de contato entre matéria e antimatéria. Mas até o momento a astrofísica não conhece nenhum dado que indique a existência de regiões repletas de antimatéria no Universo.
Dicionário enciclopédico físico. - M.: Enciclopédia Soviética..1983 .

ANTI-PARTÍCULAS
Partículas elementares com os mesmos valores de massas, spins, etc. características como seus “duplos” - “partículas”, mas diferindo delas nos sinais de certas características de interação ( cobranças, por exemplo sinal elétrico cobrar).

A existência de A. foi prevista por P. A. M. Dirac. A equação relativística quântica do movimento dos elétrons que ele obteve em 1928 (ver. Equação de Dirac)continha necessariamente soluções com negativo. energias. Mais tarde foi demonstrado que o desaparecimento de um elétron de um negativo a energia deve ser interpretada como o surgimento de uma partícula (da mesma massa) com positivo. energia e positividade. elétrico carga, ou seja, A. em relação ao elétron. Esta partícula é pósitron - inaugurado em 1932.

Em experimentos subsequentes foi estabelecido que não apenas o elétron, mas também todas as outras partículas possuem seu próprio A. Em 1936, na pesquisa cósmica. os raios estavam abertos múon e seu A., e em 1947 - - e -mésons, constituindo um par de partículas A.; registrado em 1955 em experimentos com aceleradores antipróton, em 1956 - antinêutron etc. Até o momento. Com o tempo, A. foi observado em quase todas as partículas conhecidas, e não há dúvida de que A. está presente em todas as partículas.

A existência e as propriedades de A. são determinadas de acordo com os fundamentos. princípio da teoria quântica de campos - sua invariância em relação a SRT-transformações (ver teorema CPT). De CPT-o teorema segue que a massa, o spin e o tempo de vida da partícula e seu A. devem ser os mesmos. Em particular, partículas estáveis (em relação ao decaimento) correspondem a partículas estáveis (no entanto, a sua existência na matéria por qualquer longo período de tempo é impossível devido a aniquilação com partículas de matéria). Os estados das partículas e seus A. estão conectados pela operação conjugação de carga.

Portanto, a partícula e A. possuem sinais elétricos opostos. cargas (e momentos magnéticos) têm o mesmo rotação isotópica, mas diferem no sinal de sua terceira projeção, são idênticos em tamanho, mas opostos em sinal estranheza, charme, beleza etc. Conversão inversão combinada (CP) conecta os estados helicoidais de uma partícula com estados de A. de helicidade oposta. As partículas e seus átomos recebem números bárions e leptônicos que são iguais em tamanho, mas de sinais opostos.

Devido à invariância em relação à conjugação de carga ( COM-invariância) forte e el.-magn. interações conectadas por forças correspondentes, objetos compostos feitos de partículas (núcleos atômicos, átomos) e de átomos (núcleos e átomos) antimatéria) deve ter uma estrutura idêntica. Pela mesma razão, a estrutura dos hádrons e seus átomos coincide, e dentro da estrutura do modelo quarks os estados dos antibárions são descritos exatamente da mesma maneira que os estados dos bárions, com os quarks componentes substituídos pelos correspondentes antiguidades. Os estados dos mésons e seus A. diferem na substituição dos componentes quark e antiquark pelos correspondentes antiquark e quark. Para verdadeiras partículas neutras os estados da partícula e A. coincidem. Tais partículas têm certos paridade de cobrança(Com paridade) e RS-paridade. Todas as partículas verdadeiramente neutras conhecidas são bósons (por exemplo, -mésons - com spin - com spin 1), no entanto, em princípio, férmions verdadeiramente neutros (os chamados Partículas de Majorana).

Interação fraca não é invariante em relação à conjugação de cargas e, portanto, quebra a simetria entre partículas e partículas, o que se manifesta na diferença de certos diferenciais. características de seus decaimentos fracos.

Se k.-l. dos números quânticos de uma partícula eletricamente neutra não é estritamente conservado, então transições (oscilações) entre os estados da partícula e seu A são possíveis. Neste caso, estados com um certo número quântico não conservado não são adequados. estados do operador energia-momento e representam superposições de estados verdadeiramente neutros com uma definição. valores de massa. Um fenômeno semelhante pode ocorrer em sistemas, etc.

A própria definição do que chamar de “partícula” em um par partícula-A significa. pelo menos condicionalmente. Contudo, para uma dada escolha de uma “partícula”, o seu A. é determinado exclusivamente. A conservação do número bariônico em processos de interação fraca permite determinar a “partícula” em qualquer par bárion-antibárion da cadeia de decaimentos bariônicos. A escolha de um elétron como “partícula” no par elétron-pósitron fixa (devido à conservação do número leptônico em processos de interação fraca) a determinação do estado da “partícula” no par neutrino-antineutrino do elétron. Transições entre léptons se decompõem. gerações (tipo ) não foram observadas, portanto a definição de uma “partícula” em cada geração de léptons, de modo geral, pode ser feita de forma independente. Normalmente, por analogia com um elétron, as “partículas” são chamadas de carregadas negativamente. léptons, que, embora preservando o número leptônico, determina os neutrinos e antineutrinos correspondentes. Para bósons, o conceito de “partícula” pode ser fixado por uma definição, por exemplo, hipercarga.

O nascimento de um átomo ocorre em colisões de partículas de matéria aceleradas a energias que excedem o limiar para o nascimento de um par partícula-um. (cm. Nascimento de casais). Para o laboratório. sob condições, A. nascem nas interações de partículas em aceleradores; o armazenamento do A. resultante é realizado em anéis de armazenamento em alto vácuo. Em natural condições A. nascem durante a interação do cósmico primário. raios com a matéria, por exemplo, a atmosfera terrestre, e também devem nascer no entorno pulsares e núcleos galácticos ativos. Teórico a astrofísica considera a formação de elétrons (pósitrons, antinúcleos) durante o acréscimo de matéria em buracos negros. No quadro da modernidade A cosmologia considera o nascimento de estrelas durante a evaporação de buracos negros primordiais de baixa massa.

Em temp-pax excedendo a energia de repouso das partículas de um determinado tipo (foi utilizado o sistema de unidades = 1), pares partícula-A. estão presentes em equilíbrio com a substância e el.-magn. radiação. Tais condições podem ser realizadas para pares elétron-pósitron nos núcleos quentes de estrelas massivas. De acordo com a teoria do universo quente, nos estágios iniciais da expansão do universo, os pares partícula-A estavam em equilíbrio com a matéria e a radiação. todas as variedades. De acordo com modelos grande unificação efeitos de perturbação C- e a invariância CP em processos de não-equilíbrio com não conservação do número bariônico poderia levar, no Universo muito primitivo, a assimetria bariônica do Universo mesmo sob condições de estrita igualdade inicial do número de partículas e A. Isso dá físico. justificativa para a ausência de observações. dados sobre a existência de objetos no Universo de A.

Aceso.: Dirac PAM, Princípios da mecânica quântica, trad. do inglês, 2ª ed., M., 1979; Nishijima K., Partículas Fundamentais, trad. do inglês, , 1965; Li Ts., Wu Ts., Interações fracas, trad. do inglês, M., 1968; Zel'dovich Ya. V., Novikov I. D., Estrutura e evolução do Universo, M., 1975. M. Yu.

Enciclopédia física. Em 5 volumes. - M.: Enciclopédia Soviética.Editor-chefe A. M. Prokhorov.1988 .

De acordo com a equação de Dirac, o encontro de um elétron com um pósitron tem consequências fatais para eles - ambas as partículas desaparecem. Uma previsão tão surpreendente e sua confirmação experimental causaram forte impressão tanto em físicos quanto em não-físicos - afinal, este foi o primeiro exemplo da transformação completa da matéria em radiação. O efeito recém-descoberto foi chamado de aniquilação, que em latim significa destruição completa.

Na verdade, a afirmação de que a interação de partículas e antipartículas implica invariavelmente a criação de fótons não é verdadeira mesmo em relação a elétrons e pósitrons. Um par elétron-pósitron livre se aniquila para formar quanta eletromagnéticos somente se sua energia não for muito alta. Elétrons e pósitrons muito rápidos são capazes de gerar mésons pi positivos e negativos (também conhecidos como píons), múons positivos e negativos, prótons e antiprótons e até partículas mais pesadas - apenas energia suficiente. Prótons e antiprótons lentos, quando aniquilados, dão origem a píons carregados e neutros (e rápidos a outras partículas), que decaem em raios gama, múons e neutrinos. Em princípio, uma colisão entre uma partícula e sua anticópia pode resultar em qualquer combinação de partículas que não seja proibida pelos princípios de simetria e pelas leis de conservação.

Pode parecer que a aniquilação não é diferente de outras interações interpartículas, mas tem uma característica fundamental. Para que partículas estáveis, como prótons ou elétrons, gerem uma chuva de habitantes exóticos do microcosmo quando se encontram, elas precisam ser adequadamente dispersas. Os prótons lentos simplesmente mudarão de velocidade quando se encontrarem, e isso encerrará o assunto. Mas o próton e o antipróton, ao se aproximarem, sofrerão espalhamento elástico e se dispersarão, ou se aniquilarão e produzirão partículas secundárias.

Todos os itens acima se aplicam à aniquilação de partículas livres. Se pelo menos um deles fizer parte de um sistema quântico, em princípio a situação permanece a mesma, mas as alternativas mudam. Por exemplo, a aniquilação de um elétron livre e de um pósitron livre nunca pode gerar apenas um quantum – a lei da conservação do momento não permite isso. Isso é mais fácil de ver se você trabalhar no sistema do centro de inércia do par em colisão - então o momento inicial será igual a zero e, portanto, não pode de forma alguma coincidir com o momento de um único fóton, não importa para onde ele voe . Se um pósitron encontrar um elétron que faça parte, digamos, de um átomo de hidrogênio, a aniquilação de um único fóton também é possível - neste caso, parte do momento será transferida para o núcleo atômico.

E quanto ao antigrav?

O físico inglês Arthur Schuster acreditava que a antimatéria é repelida gravitacionalmente da matéria comum, mas a ciência moderna considera isso improvável. Dos princípios mais gerais de simetria das leis do micromundo segue-se que as antipartículas devem ser atraídas umas pelas outras por forças gravitacionais, como partículas sem o prefixo “anti”. A questão de qual é a interação gravitacional de partículas e antipartículas ainda não foi totalmente resolvida, mas a resposta é quase óbvia.

Primeiro, vejamos a teoria geral da relatividade de Einstein. Baseia-se no princípio da estrita igualdade das massas gravitacional e inercial, e para a matéria comum esta afirmação foi confirmada experimentalmente por muitas medições precisas. Como a massa inercial de uma partícula é exatamente igual à massa da sua antipartícula, parece muito provável que as suas massas gravitacionais também sejam iguais. No entanto, esta ainda é uma suposição, embora muito plausível, e não pode ser provada por meio da relatividade geral.

Outro argumento contra a repulsão gravitacional entre matéria e antimatéria decorre da mecânica quântica. Lembremos que os hádrons (partículas que participam de interações fortes) são compostos de quarks colados por ligações de glúons. Cada bárion consiste em três quarks, enquanto os mésons consistem em combinações emparelhadas de quarks e antiquarks, e nem sempre os mesmos (um méson, que inclui um quark e seu próprio antiquark, é uma partícula verdadeiramente neutra no sentido de que é completamente idêntico ao seu antimeson). No entanto, estas estruturas de quarks não podem ser consideradas absolutamente estáveis. Um próton, por exemplo, é composto de dois quarks u, cada um dos quais carrega uma carga elétrica elementar de +2/3, e um quark d com carga de –1/3 (portanto, o próton tem uma carga de + 1). No entanto, esses quarks, como resultado da interação com os glúons, podem mudar de natureza em um tempo muito curto - em particular, transformar-se em antiquarks. Se partículas e antipartículas forem repelidas gravitacionalmente, o peso do próton (e, naturalmente, do nêutron) deverá produzir oscilações fracas. No entanto, até agora nenhum laboratório descobriu tal efeito.

Não há dúvida de que algum dia Sua Majestade Experiment responderá a esta pergunta. Basta um pouquinho para acumular mais antimatéria e ver como ela se comporta no campo gravitacional. No entanto, estas medições são tecnicamente incrivelmente complexas e é difícil prever quando serão possíveis.

Antimatéria e a Via Láctea

Na década de 1970, os astrônomos, usando telescópios de raios gama montados em balões de alta altitude, descobriram raios gama com uma energia de 511 keV vindos do centro da nossa Galáxia - a Via Láctea. É esta energia que é característica da aniquilação de elétrons e pósitrons livres, o que sugere a presença de uma nuvem de antimatéria com cerca de 10.000 anos-luz de tamanho.

Então qual é a diferença?

Após a descoberta do pósitron, durante um quarto de século, quase todos os físicos estavam confiantes de que a natureza não distingue entre partículas e antipartículas. Mais especificamente, acreditava-se que qualquer processo físico envolvendo partículas corresponde exatamente ao mesmo processo envolvendo antipartículas, e ambos ocorrem com a mesma probabilidade. Os dados experimentais disponíveis indicaram que este princípio é observado para todas as quatro interações fundamentais - forte, eletromagnética, fraca e gravitacional.

E então, de repente, tudo mudou dramaticamente. Em 1956, os físicos americanos Li Tsung-tao e Yang Jen-ning publicaram um artigo ganhador do Prêmio Nobel no qual discutiram as dificuldades associadas a duas partículas aparentemente idênticas, o méson teta e o méson tau, decaindo em diferentes números de píons. Os autores enfatizaram que esse problema pode ser resolvido se assumirmos que tais decaimentos estão associados a processos cuja natureza muda durante a transição da direita para a esquerda, ou seja, com a reflexão espelhada (um pouco mais tarde, os físicos perceberam que em geral termos, precisamos falar sobre reflexões em cada um dos três planos de coordenadas - ou, o que dá no mesmo, sobre mudança nos sinais de todas as coordenadas espaciais, inversão espacial). Isto significa que o processo espelhado pode ser proibido ou ocorrer com uma probabilidade diferente da anterior à reflexão. Um ano depois, experimentadores americanos (pertencentes a dois grupos independentes e trabalhando com métodos diferentes) confirmaram que tais processos realmente existem.

Este foi apenas o começo. Ao mesmo tempo, físicos teóricos da URSS e dos EUA perceberam que a violação da simetria do espelho permite violar a simetria quanto à substituição de partículas por antipartículas, o que também foi repetidamente comprovado em experimentos. Vale a pena notar que pouco antes de Lee e Yang, mas ainda no mesmo 1956, a possibilidade de quebrar a simetria do espelho foi discutida pelo físico experimental Martin Block e pelo grande teórico Richard Feynman, mas nunca publicaram essas considerações.

Os físicos tradicionalmente denotam a reflexão espelhada com a letra latina P, e a substituição de partículas por suas antipartículas com a letra C. Ambas as simetrias são quebradas apenas em processos que envolvem a interação fraca, a mesma responsável pelo decaimento beta dos núcleos atômicos. Conclui-se que é precisamente devido a interações fracas que existem diferenças no comportamento de partículas e antipartículas.

Uma estranha violação da simetria do espelho deu origem a tentativas de compensá-la com alguma coisa. Já em 1956, Lee e Yang e de forma independente Lev Landau sugeriram que a natureza não distingue entre sistemas que são obtidos uns dos outros pela aplicação conjunta das transformações C e P (a chamada simetria CP). Do ponto de vista teórico, esta hipótese parecia muito convincente e, além disso, ajustava-se bem aos dados experimentais. No entanto, apenas oito anos depois, os pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven descobriram que um dos mésons K sem carga (ou kaons, como também são chamados) pode decair em um par de píons. Se a simetria CP for rigorosamente observada, tal transformação é impossível - e portanto, esta simetria não é universal! É verdade que a parcela de decadências aparentemente proibidas não ultrapassou 0,2%, mas ainda assim ocorreram! Esta descoberta rendeu aos líderes da equipe de Brookhaven, James Cronin e Val Fitch, o Prêmio Nobel de Física.

Física moderna e através do espelho

A hipótese da matéria espelhada foi formulada claramente pela primeira vez num artigo de Igor Kobzarev, Lev Okun e Isaac Pomeranchuk, publicado em 1966.

Com a mão leve de Lewis Carroll, Através do Espelho é uma terra mágica que está localizada do outro lado do espelho e existe apenas na imaginação humana. No entanto, os físicos modernos falam muito seriamente sobre a existência de um mundo espelhado ou, mais precisamente, de matéria espelhada. E se ela for encontrada, o velho conto de fadas, de certa forma, se tornará realidade.

Em 1966 sabia-se que a simetria do CP não é observada durante o decaimento dos kaons. Os autores mostraram que esta simetria pode, em certo sentido, ser preservada (ou melhor, generalizada) se assumirmos que para cada partícula existe uma partícula espelho correspondente com as mesmas características físicas. Para fazer isso, eles postularam simetria em relação à transformação CPA, onde a operação A substitui a partícula por seu parceiro espelho (a letra A é uma lembrança da Alice de Carroll). Outra possibilidade, apontada por Kobzarev, Okun e Pomeranchuk, é que os neutrinos podem ser comuns à nossa matéria e à matéria espelhada. Lev Okun publicou mais tarde uma dúzia de artigos nos quais considerou várias conexões possíveis entre a matéria comum e a matéria espelhada e propôs experimentos que permitiriam que elas fossem detectadas.

Partículas espelhadas hipotéticas não existem em algum lugar de um Universo paralelo, mas em nosso espaço. Eles estão conectados entre si por suas próprias interações, que não se estendem às partículas da nossa matéria, assim como nossas interações não são percebidas pelas partículas do espelho. Segue-se que, em princípio, pode haver galáxias espelhadas, estrelas e planetas (incluindo os habitados) que não podem ser vistos em nenhum telescópio. A matéria espelhada só pode ser registrada de uma maneira - por campos gravitacionais, já que geralmente é atraída pela matéria do nosso mundo.

Na década de 1970, os esforços dos físicos teóricos visavam principalmente o desenvolvimento do Modelo Padrão de partículas elementares, e a hipótese da partícula espelhada de alguma forma passou para as sombras. Então o interesse por ela foi reavivado, e Rabindra Mohapatra, professor de física teórica na Universidade de Maryland, disse à Popular Mechanics sobre seu estado atual: “Os físicos voltaram a espelhar partículas por dois motivos. Na última década, a posição da hipótese da matéria escura fortaleceu-se e a possibilidade da existência dos chamados neutrinos estéreis começou a ser discutida. Esses neutrinos obedecem à lei da gravidade, mas não participam das interações fortes, eletromagnéticas ou fracas. Neste contexto, em 1995, os teóricos australianos Foote e Volkas, e independentemente deles, eu e o físico georgiano Zurab Berezhiani (que agora trabalha em Itália) sugerimos que as partículas espelhadas realmente existem e se manifestam em neutrinos estéreis e matéria escura. Muitos dos nossos colegas concordaram que valia a pena discutir esta ideia. Surge uma questão natural: como detectar partículas espelhadas ou seus aglomerados? Se existirem, digamos, estrelas feitas de matéria espelhada, elas revelarão a sua presença apenas pela gravidade. Pode ser detectado através do efeito de lente gravitacional, mas até agora ninguém conseguiu. No entanto, existe outra possibilidade, que meus coautores e eu discutimos em um artigo publicado recentemente. Há razões para pensar que nossos fótons podem se misturar levemente com os fótons do setor espelhado. Esta circunstância, em princípio, abre caminho para o registro de partículas espelhadas.”

De acordo com uma teoria, logo após o nascimento do nosso Universo, todas as partículas espelhadas, com exceção das mais leves, decaíram. Os sobreviventes podem formar aglomerados cósmicos que se manifestam como halos de matéria escura. No entanto, de acordo com este cenário, estrelas espelhadas e planetas espelhados não existem - simplesmente não há material de construção suficiente para eles.

Simetria e antimatéria

As violações da simetria do CP estão diretamente relacionadas à diferença entre matéria e antimatéria. No final da década de 1990, o CERN conduziu um experimento muito bonito com kaons neutros K 0, cada um dos quais consistia em um quark d e um antiquark estranho mais massivo. As leis da natureza permitem que um antiquark perca parte de sua energia e se transforme em um anti-d. A energia liberada pode entrar no decaimento do kaon, mas é possível que o quark d vizinho a absorva e se transforme em um quark estranho. Como resultado, aparecerá uma partícula composta por um quark anti-d e um quark estranho, ou seja, um antikaon neutro. Formalmente, esta transformação pode ser descrita como o resultado da aplicação da transformação CP ao kaon!

Assim, se a simetria CP for observada de forma absolutamente estrita, então os kaons neutros K 0 se transformam em suas antipartículas com exatamente a mesma probabilidade de sofrerem transformações reversas. Qualquer violação da simetria do CP implicará uma alteração numa destas probabilidades. Se prepararmos um feixe de igual número de kaons e antikaons neutros e traçarmos a dinâmica da concentração de ambas as partículas, poderemos descobrir se suas oscilações quânticas respeitam a simetria CP.

Foi exatamente isso que os físicos do CERN fizeram. Eles descobriram que os antikaons neutros se transformam em kaons um pouco mais rápido do que em antikaons. Em outras palavras, foi descoberto um processo no qual a antimatéria se transforma em matéria mais rápido do que a matéria se transforma em antimatéria! Em uma mistura com partes inicialmente iguais de matéria e antimatéria, um pequeno, mas ainda mensurável, excesso de matéria é formado ao longo do tempo. O mesmo efeito foi revelado em experimentos com outras partículas neutras pesadas - mésons D 0 e mésons B 0.

Assim, no final do século XX, os experimentadores provaram de forma convincente que as interações fracas afetam as partículas e as antipartículas de maneira diferente. Embora essas diferenças sejam muito pequenas e sejam reveladas apenas durante certas transformações de partículas muito exóticas, elas são completamente reais. Isso significa a presença de assimetria física entre matéria e antimatéria.

Para completar o quadro, vale destacar mais uma circunstância. Na década de 1950, a posição mais importante da mecânica quântica relativística foi comprovada - o teorema CPT. Afirma que partículas e antipartículas são estritamente simétricas em relação à transformação CP, seguida de reversão no tempo (a rigor, este teorema só é verdadeiro sem levar em conta a gravidade, caso contrário a questão permanece em aberto). Conseqüentemente, se a simetria do CP não for observada em alguns processos, sua velocidade nas direções “avante” e “reversa” (o que é considerado um e outro, é claro, é uma questão de acordo) deveria ser desigual. Isso é exatamente o que provaram os experimentos do CERN com kaons neutros.

Onde estão os antimundos?

Em 1933, Paul Dirac tinha certeza de que existiam ilhas inteiras de antimatéria em nosso Universo, o que ele mencionou em sua palestra do Nobel. No entanto, os cientistas modernos acreditam que não existem tais ilhas nem na nossa Galáxia nem fora dela.

É claro que a antimatéria existe como tal. As antipartículas são geradas por muitos processos de alta energia - por exemplo, a queima termonuclear de combustível estelar e explosões de supernovas. Eles surgem em nuvens de plasma magnetizado ao redor de estrelas de nêutrons e buracos negros, durante colisões de partículas cósmicas rápidas no espaço interestelar, durante o bombardeio da atmosfera da Terra por raios cósmicos e, finalmente, em experimentos com aceleradores. Além disso, o decaimento de alguns radionuclídeos é acompanhado pela formação de antipartículas - nomeadamente pósitrons. Mas tudo isso são apenas antipartículas, e não antimatéria. Até agora, ninguém foi capaz de detectar nem mesmo o antihélio cósmico, muito menos elementos mais pesados. A busca por radiação gama com espectro específico causada pela aniquilação nas fronteiras de aglomerados cósmicos de matéria e antimatéria também não teve sucesso.

Na literatura científica, aparecem periodicamente relatos sobre a descoberta de fontes primárias não padronizadas de antipartículas cósmicas de origem desconhecida. Em abril de 2009, foram publicados dados sobre um misterioso excesso de pósitrons extremamente rápidos detectados pelo complexo detector PAMELA. Este equipamento está localizado a bordo do satélite russo Resurs-DK1, enviado para a órbita baixa da Terra a partir do Cosmódromo de Baikonur em 15 de junho de 2006. Alguns especialistas interpretaram este resultado como possível evidência da aniquilação de hipotéticas partículas de matéria escura, mas logo surgiu uma explicação menos exótica. Esta hipótese foi comentada para PM pelo famoso especialista em raios cósmicos Veniamin Berezinsky do Laboratório Nacional Gran Sasso, parte do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear: “O modelo padrão do nascimento dos raios cósmicos galácticos baseia-se em três posições. A primeira e principal fonte de partículas carregadas são consideradas remanescentes de supernovas. A segunda ideia é que as partículas são aceleradas a velocidades ultrarelativísticas nas frentes das ondas de choque pós-explosivas, e o seu próprio campo magnético desempenha um papel muito importante nesta aceleração. A terceira posição é que os raios cósmicos se propagam por difusão. Meu ex-aluno e hoje professor do Instituto Nacional de Astrofísica, Pasquale Blasi, mostrou que o excesso de pósitrons detectado pelo complexo PAMELA é bastante consistente com este modelo. Os prótons acelerados em ondas de choque colidem com partículas de gás cósmico e é nesta zona de sua aceleração que se transformam em píons positivos, que decaem para formar pósitrons e neutrinos. De acordo com os cálculos de Blasi, este processo pode muito bem produzir exactamente a concentração de pósitrons que PAMELA identificou. Tal mecanismo de geração de pósitrons parece absolutamente natural, mas por alguma razão nunca ocorreu a ninguém até agora. Blasi também mostrou que esses mesmos processos também deveriam gerar antiprótons em excesso. No entanto, a secção transversal para a sua produção é muito menor do que o valor correspondente para os positrões, razão pela qual só podem ser detectados a energias mais elevadas. Acho que com o tempo isso se tornará possível.”

Em geral, até agora tudo sugere que não existem antiestrelas, nem antiplanetas, nem mesmo os mais ínfimos antimeteoros no espaço. Por outro lado, os modelos convencionais do Big Bang argumentam que logo após o seu nascimento, o nosso Universo continha um número igual de partículas e antipartículas. Então, por que o primeiro sobreviveu e o segundo desapareceu? Leia a resposta a esta pergunta na próxima edição da PM.

Até agora, ninguém foi capaz de detectar antihélio cósmico e radiação gama com um espectro específico causado pela aniquilação nas fronteiras de aglomerados de matéria e antimatéria.

Na verdade, a afirmação de que a interação de partículas e antipartículas implica invariavelmente a criação de fótons não é verdadeira mesmo em relação a elétrons e pósitrons. Um par elétron-pósitron livre se aniquila para formar quanta eletromagnéticos somente se sua energia não for muito alta. Elétrons e pósitrons muito rápidos são capazes de gerar mésons pi positivos e negativos (também conhecidos como píons), múons positivos e negativos, prótons e antiprótons e até partículas mais pesadas - se apenas a energia for suficiente. Prótons e antiprótons lentos, quando aniquilados, dão origem a píons carregados e neutros (e rápidos a outras partículas), que decaem em raios gama, múons e neutrinos. Em princípio, uma colisão entre uma partícula e sua anticópia pode resultar em qualquer combinação de partículas que não seja proibida pelos princípios de simetria e pelas leis de conservação.

As principais formas de busca por antimatéria são registrar a radiação com energia característica de aniquilação, ou registrar diretamente as antipartículas por massa e carga. Como os antiprótons e os núcleos de antihélio não podem voar pela atmosfera, sua detecção só é possível com a ajuda de instrumentos elevados às altas camadas da atmosfera em balões, ou instrumentos orbitais, como o espectrômetro alfa magnético AMS-01, entregue à Mir estação em 1998, ou seu irmão significativamente melhorado AMS-02 (foto), que iniciará seu trabalho na ISS em 2010.

E quanto ao antigrav?

Outro argumento contra a repulsão gravitacional entre matéria e antimatéria decorre da mecânica quântica. Lembremos que os hádrons (partículas que participam de interações fortes) são compostos de quarks colados por ligações de glúons. Cada bárion consiste em três quarks, enquanto os mésons consistem em combinações emparelhadas de quarks e antiquarks, e nem sempre os mesmos (um méson, que inclui um quark e seu próprio antiquark, é uma partícula verdadeiramente neutra no sentido de que é completamente idêntico ao seu antimeson). No entanto, estas estruturas de quarks não podem ser consideradas absolutamente estáveis. Um próton, por exemplo, é composto de dois quarks u, cada um dos quais carrega uma carga elétrica elementar de +2/3, e um quark d com carga de -1/3 (portanto, o próton tem uma carga de + 1). No entanto, como resultado da interação com os glúons, esses quarks podem mudar de natureza em um tempo muito curto - em particular, transformar-se em antiquarks. Se partículas e antipartículas forem repelidas gravitacionalmente, o peso do próton (e, naturalmente, do nêutron) deverá produzir oscilações fracas. No entanto, até agora nenhum laboratório descobriu tal efeito.

Antimatéria e a Via Láctea

Na década de 1970, os astrônomos, usando telescópios de raios gama montados em balões de alta altitude, descobriram raios gama com uma energia de 511 keV vindos do centro da nossa Galáxia - a Via Láctea. É esta energia que é característica da aniquilação de elétrons e pósitrons livres, o que sugeria a presença de uma nuvem de antimatéria com cerca de 10.000 anos-luz de tamanho.

Então qual é a diferença?

E então, de repente, tudo mudou dramaticamente. Em 1956, os físicos americanos Li Tsung-tao e Yang Jenning publicaram um artigo ganhador do Prêmio Nobel no qual discutiam a dificuldade causada por duas partículas aparentemente idênticas, o thetameson e o thaumeson, decaindo em diferentes números de píons. Os autores enfatizaram que esse problema pode ser resolvido se assumirmos que tais decaimentos estão associados a processos cuja natureza muda durante a transição da direita para a esquerda, ou seja, com a reflexão espelhada (um pouco mais tarde, os físicos perceberam que em geral, é necessário falar sobre reflexões em cada um dos três planos coordenados - ou, o que dá no mesmo, sobre mudança nos sinais de todas as coordenadas espaciais, inversão espacial). Isto significa que o processo espelhado pode ser proibido ou ocorrer com uma probabilidade diferente da anterior à reflexão. Um ano depois, experimentadores americanos (pertencentes a dois grupos independentes e trabalhando com métodos diferentes) confirmaram que tais processos realmente existem.

Este foi apenas o começo. Ao mesmo tempo, físicos teóricos da URSS e dos EUA perceberam que a violação da simetria do espelho permite violar a simetria quanto à substituição de partículas por antipartículas, o que também foi repetidamente comprovado em experimentos. Vale ressaltar que pouco antes de Lee e Yang, mas ainda em 1956, a possibilidade de quebra da simetria do espelho foi discutida pelo físico experimental Martin Block e pelo grande teórico Richard Feynman, mas eles nunca publicaram essas considerações.

Os físicos tradicionalmente denotam a reflexão espelhada com a letra latina P, e a substituição de partículas por suas antipartículas com a letra C. Ambas as simetrias são quebradas apenas em processos que envolvem a interação fraca, aquela mesma responsável pelo decaimento beta dos núcleos atômicos. Conclui-se que é precisamente devido a interações fracas que existem diferenças no comportamento de partículas e antipartículas.

Durante uma das últimas missões do ônibus espacial (STS-134) em 2010, um novo instrumento científico, um espectrômetro alfa magnético (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer), será entregue ao MSK. Seu protótipo, AMS-01, voou a bordo da estação espacial Mir em 1998 e provou que o conceito estava operacional. O principal objetivo do programa científico será estudar e medir com alta precisão a composição dos raios cósmicos, bem como a busca por formas exóticas de matéria - matéria escura, matéria estranha (partículas contendo quarks estranhos), também como antimatéria - em particular, núcleos de antihélio.

Uma estranha violação da simetria do espelho deu origem a tentativas de compensá-la com alguma coisa. Já em 1956, Lee e Yang e de forma independente Lev Landau sugeriram que a natureza não distingue entre sistemas que são obtidos uns dos outros pela aplicação conjunta das transformações C e P (a chamada simetria CP). Do ponto de vista teórico, esta hipótese parecia muito convincente e, além disso, ajustava-se bem aos dados experimentais. No entanto, apenas oito anos depois, os pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven descobriram que um dos mésons K sem carga (ou kaons, como também são chamados) pode decair em um par de píons. Se a simetria CP for rigorosamente observada, tal transformação é impossível - e portanto, esta simetria não é universal! É verdade que a proporção de decadências aparentemente proibidas não ultrapassou 0,2%, mas ainda assim ocorreram! Esta descoberta rendeu aos líderes da equipe de Brookhaven, James Cronin e Val Fitch, o Prêmio Nobel de Física.

Simetria e antimatéria

As violações da simetria do CP estão diretamente relacionadas à diferença entre matéria e antimatéria. No final da década de 1990, o CERN fez um experimento muito bom com kaons K0 neutros, cada um consistindo de um quark d e um antiquark estranho mais massivo. As leis da natureza permitem que um antiquark perca parte de sua energia e se transforme em um anti-d. A energia liberada pode entrar no decaimento do kaon, mas é possível que o quark d vizinho a absorva e se transforme em um quark estranho. Como resultado, aparecerá uma partícula composta por um quark anti-d e um quark estranho, ou seja, um antikaon neutro. Formalmente, esta transformação pode ser descrita como o resultado da aplicação da transformação CP ao kaon!

Assim, se a simetria CP for observada de forma absolutamente estrita, então os kaons neutros K0 se transformam em suas antipartículas com exatamente a mesma probabilidade de sofrerem transformações reversas. Qualquer violação da simetria do CP implicará uma alteração numa destas probabilidades. Se prepararmos um feixe de igual número de kaons e antikaons neutros e traçarmos a dinâmica da concentração de ambas as partículas, poderemos descobrir se suas oscilações quânticas respeitam a simetria CP.

Para completar o quadro, vale destacar mais uma circunstância. Na década de 1950, a posição mais importante da mecânica quântica relativística, o teorema CPT, foi comprovada. Afirma que partículas e antipartículas são estritamente simétricas em relação à transformação CP, seguida de reversão no tempo (a rigor, este teorema só é verdadeiro sem levar em conta a gravidade, caso contrário a questão permanece em aberto). Conseqüentemente, se a simetria do CP não for observada em alguns processos, sua velocidade nas direções “avante” e “reversa” (o que é considerado um e outro, é claro, é uma questão de acordo) não deveria ser a mesma. Isso é exatamente o que provaram os experimentos do CERN com kaons neutros.

A missão AMS-02 durará cerca de sete anos. Espera-se que o módulo de sete toneladas acoplado à ISS detecte mais de 1 bilhão de núcleos de hélio e vários núcleos anti-hélio. O antecessor deste detector, AMS-01, detectou cerca de 1 milhão de núcleos de hélio, mas não detectou antihélio.

Onde estão os antimundos?

É claro que a antimatéria existe como tal. As antipartículas são geradas por muitos processos de alta energia – por exemplo, a queima termonuclear de combustível estelar e explosões de supernovas. Eles surgem em nuvens de plasma magnetizado ao redor de estrelas de nêutrons e buracos negros, durante colisões de partículas cósmicas rápidas no espaço interestelar, durante o bombardeio da atmosfera da Terra por raios cósmicos e, finalmente, em experimentos com aceleradores. Além disso, o decaimento de alguns radionuclídeos é acompanhado pela formação de antipartículas, nomeadamente pósitrons. Mas tudo isso são apenas antipartículas, e não antimatéria. Até agora, ninguém foi capaz de detectar nem mesmo o antihélio cósmico, muito menos elementos mais pesados. A busca por radiação gama com espectro específico causada pela aniquilação nas fronteiras de aglomerados cósmicos de matéria e antimatéria também não teve sucesso.

Na literatura científica, aparecem periodicamente relatos sobre a descoberta de fontes primárias não padronizadas de antipartículas cósmicas de origem desconhecida. Em abril de 2009, foram publicados dados sobre um misterioso excesso de pósitrons extremamente rápidos detectados pelo complexo detector PAMELA. Este equipamento está localizado a bordo do satélite russo Resurs-DK1, enviado para a órbita baixa da Terra a partir do Cosmódromo de Baikonur em 15 de junho de 2006. Alguns especialistas interpretaram este resultado como possível evidência da aniquilação de hipotéticas partículas de matéria escura, mas logo surgiu uma explicação menos exótica. Esta hipótese foi comentada para PM pelo famoso especialista em raios cósmicos Veniamin Berezinsky do Laboratório Nacional Gran Sasso, parte do Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear: “O modelo padrão do nascimento dos raios cósmicos galácticos baseia-se em três posições. A primeira e principal fonte de partículas carregadas são consideradas remanescentes de supernovas. A segunda ideia é que as partículas são aceleradas a velocidades ultra-relativísticas nas frentes das ondas de choque pós-explosão, e o seu próprio campo magnético desempenha um papel muito importante nesta aceleração. A terceira posição é que os raios cósmicos se propagam por difusão. Meu ex-aluno e hoje professor do Instituto Nacional de Astrofísica, Pasquale Blasi, mostrou que o excesso de pósitrons detectado pelo complexo PAMELA é bastante consistente com este modelo. Os prótons acelerados em ondas de choque colidem com partículas de gás cósmico e é nesta zona de sua aceleração que se transformam em píons positivos, que decaem para formar pósitrons e neutrinos. De acordo com os cálculos de Blasi, este processo pode muito bem produzir exactamente a concentração de pósitrons que PAMELA identificou. Tal mecanismo de geração de pósitrons parece absolutamente natural, mas por alguma razão nunca ocorreu a ninguém até agora. Blasi também mostrou que esses mesmos processos também deveriam gerar antiprótons em excesso. No entanto, a secção transversal para a sua produção é muito menor do que o valor correspondente para os positrões, razão pela qual só podem ser detectados a energias mais elevadas. Acho que com o tempo isso se tornará possível.”

Mundo ou anti-mundo?

Vamos imaginar que estamos voando em uma nave interestelar que se aproxima de um planeta com vida inteligente. Como descobrir do que são feitos nossos irmãos em mente - matéria ou antimatéria? Podemos enviar uma sonda de reconhecimento, mas se ela explodir na atmosfera, poderemos ser considerados agressores espaciais, como acontece no romance de ficção científica Antiworld, de Krzysztof Borun. Isso pode ser evitado usando os mesmos kaons e antikaons neutros. Como já mencionado, eles são capazes não apenas de se transformarem, mas também de se desintegrarem, e de maneiras diferentes. Em particular, em tais decaimentos podem ser produzidos neutrinos, acompanhados por píons e elétrons positivos ou píons e pósitrons negativos. Devido à assimetria entre matéria e antimatéria, as taxas de tais reações são um pouco diferentes. Esta circunstância pode ser usada como um “teste decisivo”. Para testar a antimaterialidade de um planeta alienígena, é conveniente tomar não kaons e antikaons puros, mas seus estados mistos, que geralmente são denotados como Ks e Kl (s - curto e l - longo). O fato é que no estado L a vida útil de uma partícula é 570 vezes maior do que no estado S (5,12x10^-8 seg versus 8,95x10^-11 seg). Na versão de vida longa dos kaons, a simetria da matéria e da antimatéria é muito mais pronunciada - para cada 10 mil decaimentos do tipo desejado, aproximadamente 5.015 produzem pósitrons e 4.985 produzem elétrons. A propósito, notamos que o experimento histórico de Cronin e Finch também foi feito em mésons Kl. Agora vamos iniciar uma conversa pensando em nossos irmãos. Kaons têm uma massa característica ligeiramente maior que metade da massa de um próton. Vamos explicar aos nossos parceiros de negociação que precisamos de uma partícula neutra instável cuja massa seja ligeiramente maior que a massa do núcleo do átomo mais simples. Os físicos alienígenas entenderão do que estamos falando, produzirão mésons Kl e determinarão as características de seus decaimentos que nos interessam. Quando conseguirem isso, perguntaremos se o sinal da carga elétrica da mais leve das partículas carregadas, gerada nesses decaimentos com um pouco mais de frequência do que uma partícula semelhante de sinal oposto, coincide com o sinal das partículas que compõem os átomos de seu mundo. Se a resposta for sim, ficará claro para nós que seus átomos contêm pósitrons e, portanto, o alienígena consiste em antimatéria. E se a resposta for não, você pode se preparar para pousar!

Em geral, até agora tudo sugere que não existem antiestrelas, nem antiplanetas, nem mesmo os mais ínfimos antimeteoros no espaço. Por outro lado, os modelos convencionais do Big Bang argumentam que logo após o seu nascimento, o nosso Universo continha um número igual de partículas e antipartículas. Então, por que o primeiro sobreviveu, enquanto o segundo desapareceu?.. Leia a resposta a esta pergunta em um dos seguintes materiais.

O artigo “A Guerra de Partículas e Antipartículas: Quem Permanece no Campo de Batalha” foi publicado na revista Popular Mechanics (

Estamos acostumados a usar o prefixo anti- para denotar entidades opostas. Por exemplo, o herói e o anti-herói de um filme de aventura estão travados em uma batalha irreconciliável. Contudo, no microcosmo, partícula e antipartícula não são completamente opostas uma à outra. A partícula e a antipartícula têm a mesma massa, tempo de vida e spin, apenas a carga difere. Mas também aqui nem tudo é tão simples.

O que são antipartículas

Via de regra, na escola, a maioria das pessoas entende apenas carga elétrica como carga. Na verdade, se considerarmos um elétron e sua antipartícula - um pósitron, então eles diferem precisamente em sua carga elétrica: o elétron tem uma carga elétrica negativa e o pósitron tem uma carga elétrica positiva. Porém, além das eletromagnéticas, existem também interações gravitacionais, fortes e fracas, cada uma das quais também possui suas próprias cargas. Digamos que um próton, que possui carga elétrica positiva, e um antipróton, que possui carga elétrica negativa, em uma interação forte adquirem uma carga bariônica (ou número bariônico) igual a +1 para o próton e -1 para o antipróton. Portanto, se não houver carga elétrica, por exemplo, como acontece com um nêutron e um antinêutron, as partículas que interagem fortemente ainda diferem em seu número bariônico, que é +1 para um nêutron e -1 para um antinêutron.

Existem situações em que as cargas bárion e elétrica são zero? Sim, por exemplo, no caso dos mésons. Eles consistem em um quark e um antiquark e, por definição, sua carga bariônica é zero. Considere, por exemplo, mésons K eletricamente neutros - partículas incríveis nas quais foi descoberta violação da paridade combinada de espaço e carga. Existem o méson K0 e o méson anti-K0. As cargas elétrica e bariônica de ambas as partículas são zero. Por que eles são então considerados uma partícula e uma antipartícula? Neste caso, a composição de quarks dos mésons é diferente. O méson K0 consiste em um quark anti-s e um quark d. O méson anti-K0, por outro lado, consiste em um quark s e um quark anti-d. O estranho quark - s - tem um novo número quântico ou carga - estranheza. A estranheza é diferente para os quarks s e anti-s, da mesma forma que a carga bariônica é diferente para prótons e antiprótons; d-quarks e d-antiquarks têm seu próprio número quântico, o que é semelhante à estranheza. Essas cargas tornam possível distinguir entre mésons K0 e anti-K0 eletricamente neutros e bariônicos.

Porém, acontece que partículas e antipartículas são idênticas. Por exemplo, o méson φ, que consiste em um quark anti-s e um quark s, e sua antipartícula, ao contrário, consiste em um quark s e um quark anti-s. Acontece que o méson φ é sua própria antipartícula. Na verdade, existem muitas partículas semelhantes ao méson φ. O mais famoso deles é provavelmente o méson J/ψ, que consiste em um quark charm e um antiquark. Os fótons também são idênticos a si mesmos. E os portadores da interação fraca - bósons Z0 - também. Mas há uma partícula elementar para a qual a resposta à questão de saber se é idêntica a si mesma ainda não foi esclarecida. Esta partícula é um neutrino. Participa apenas de interações fracas e gravitacionais. Contudo, a interação gravitacional não desempenha qualquer papel nas escalas de energia atualmente disponíveis. Portanto, podemos dizer que os neutrinos participam apenas de interações fracas. Na teoria quântica de campos, existem duas abordagens para descrever os estados dos neutrinos. A primeira é a chamada abordagem de Dirac, na qual neutrinos e antineutrinos são considerados não idênticos entre si. Em outras palavras, do ponto de vista dos teóricos, neutrinos e antineutrinos são semelhantes a elétrons e pósitrons. A segunda é a abordagem de Majorana, na qual neutrinos e antineutrinos são considerados idênticos entre si. A escolha a favor do conceito de Majorana pode ser dada pela observação experimental do decaimento beta duplo sem neutrinos dos núcleos. Este decaimento é um dos mais difíceis de observar experimentalmente. Atualmente este processo ainda não foi descoberto.

História da descoberta de antipartículas

Já na Grécia Antiga, os pensadores antigos questionavam-se sobre a estrutura fundamental da matéria. Seguindo a moda científica da época, os gregos procuravam elementos primários. Como resultado dessas pesquisas, os gregos criaram vários conjuntos completamente diferentes de elementos primários e até mesmo o conceito de átomos como um peso extravagante. Mas os gregos não podiam fazer uma escolha entre conjuntos diferentes, uma vez que apenas argumentos lógicos não eram suficientes para fazer uma escolha, e a ideia de conduzir um experimento decisivo estava a quase 2.000 anos de distância.

Somente na virada dos séculos XVII para XVIII a física emergiu como uma ciência cuja principal força motriz era a experimentação, e assim permaneceu até o primeiro quartel do século XX. Foram resultados experimentais inesperados que deram origem ao surgimento da eletrodinâmica clássica, da relatividade especial e da mecânica quântica.

Porém, em 1928 tudo mudou. O notável físico teórico inglês, um dos criadores da mecânica quântica, Paul Dirac, escreveu uma equação quântica relativística para partículas com spin meio inteiro. Essa equação tinha uma característica importante que Dirac não incluiu nela: se essa equação tivesse uma solução para partículas com carga elétrica negativa, então uma solução adicional aparecia inevitavelmente para partículas com carga positiva. No início da década de 1930, havia apenas uma partícula conhecida com spin meio inteiro e carga negativa – o elétron – e uma partícula com spin meio inteiro e carga positiva, e essa partícula era o próton. A princípio, os físicos pensaram que as duas soluções da equação de Dirac correspondiam a essas duas partículas. Mas logo o matemático alemão Hermann Weyl provou que as partículas da equação de Dirac com cargas positivas e negativas devem ter as mesmas massas. É aqui que surge o problema, uma vez que um próton é cerca de 2.000 vezes mais pesado que um elétron.

Isto é, a teoria de Dirac previu um fato fundamentalmente novo. Na linguagem moderna, Paul Dirac previu antipartículas. Só que a princípio ninguém acreditou neles, e o próprio Dirac foi criticado pela equação supostamente errônea. E em vão. Afinal, já se passou um ano desde que as antipartículas foram descobertas. Mas mesmo o seu descobridor, o talentoso físico experimental soviético Dmitry Vladimirovich Skobeltsyn, não tinha ideia disso. O fato é que ele ficou fascinado por um problema atual para a época: estudar a composição dos raios cósmicos, ou seja, das partículas que caem do espaço para a Terra. Para medir o momento das partículas de raios cósmicos e sua carga, Skobeltsyn colocou uma câmara de nuvens – um novo instrumento na década de 1930 que registrava os rastros de partículas carregadas – em um campo magnético constante. Em tal câmara, as partículas carregadas positivamente vindas do espaço deveriam girar em uma direção e as negativas na outra. Skobeltsyn observou vários rastros semelhantes aos dos elétrons, mas girando na direção oposta. Do auge do conhecimento moderno, entendemos que tais rastros foram deixados pelos pósitrons. Mas o cientista presumiu que esses rastros são deixados por elétrons que voam da superfície da Terra, onde são formados a partir da radioatividade natural, e deixou de se interessar por esses rastros.

Portanto, Carl Anderson é considerado o descobridor dos pósitrons em todo o mundo. Este brilhante experimentador americano conhecia a teoria de Dirac e queria testar experimentalmente a existência de “elétrons com carga diferente”. Anderson usou a técnica de Skobeltsyn com um pequeno acréscimo que tornou o experimentador americano ganhador do Nobel: ele colocou uma placa de chumbo na câmara de nuvens. Uma partícula carregada que entra na placa perde parte de sua energia, seu momento diminui e a curvatura da trilha no campo magnético muda. Portanto, alterando a curvatura da pista, pode-se entender de que lado da placa de chumbo a partícula voou para dentro da câmara. Esta foi a informação que Skobeltsyn não teve para descobrir o pósitron. Descobriu-se que partículas cujas trilhas são semelhantes às dos elétrons, mas torcidas na direção oposta, voam do espaço da mesma forma que os elétrons comuns. Anderson conduziu seu experimento em 1932. Este ano é considerado o ano da descoberta das antipartículas e o ano a partir do qual a teoria da física de partículas começou a superar a experiência. Os neutrinos, o bóson de Higgs e o quark top foram previstos pela primeira vez pelos teóricos. Às vezes, experimentos confirmavam uma teoria meio século depois, como foi o caso, por exemplo, do bóson de Higgs.

Podemos dizer que regressamos num novo nível à situação que existia na Grécia Antiga: os teóricos oferecem muitos novos conceitos fundamentais, tal como os gregos outrora ofereciam diferentes conjuntos de elementos primários. Só agora os experimentadores estão tentando testar esses conceitos se tal possibilidade tecnológica existe.

E o antipróton? Esta é a segunda antipartícula descoberta pelos físicos. Foi descoberto em 1955 em um acelerador de prótons por um grupo do talentoso físico italiano Emilio Segre, que fugiu dos nazistas para a América. A descoberta recebeu o Prêmio Nobel em 1959. Quase simultaneamente com o antipróton, foi descoberto o antinêutron.

Centenas de antipartículas já foram descobertas. Qualquer partícula carregada, não necessariamente com spin meio inteiro, possui sua própria antipartícula. Os Prémios Nobel já não são atribuídos à descoberta de antipartículas. E a propriedade das partículas e antipartículas, descoberta por Anderson, ao interagirem para se transformarem em fótons - para aniquilar - deu origem a um dos mistérios fundamentais da física moderna - a assimetria bárion do Universo. A equação de Dirac é reconhecida há muito tempo por todos os físicos e formou a base da teoria quântica de campos.

Das antipartículas à antimatéria

Se na década de 1960 os físicos pudessem obter pósitrons, antiprótons e antinêutrons, então pareceria que daqui seria um passo para a síntese da antimatéria, por exemplo, do anti-hidrogênio. No entanto, existem grandes dificuldades neste caminho.

Para criar átomos e moléculas de antimatéria, não basta obter seus blocos de construção constituintes - as antipartículas. Essas antipartículas precisam ser desaceleradas. Mas, o mais importante, a antimatéria deve ser armazenada num mundo que consiste em matéria. As antipartículas não podem simplesmente ser colocadas em uma caixa: elas se aniquilarão junto com as paredes da caixa. Se quisermos preservar as antipartículas, precisamos armazená-las no vácuo e em um “recipiente sem paredes”. Para partículas carregadas, um forte campo magnético não homogêneo pode ser usado como tal recipiente. O problema de confinamento de partículas neutras é muito mais difícil, mas com o tempo também foi resolvido com a ajuda de um campo magnético. Atualmente, o anti-hidrogênio fica retido em armadilhas magnéticas de Penning por quase 20 minutos.

É lógico iniciar a síntese da antimatéria com a síntese dos antinúcleos. No entanto, até à data, pouco progresso foi feito nesta direção. Apenas o antihélio-3, que consiste em dois antiprótons e um antinêutron, e o antihélio-4, que consiste em dois antiprótons e dois antinêutrons, foram sintetizados. (Observe que o antihélio-3 foi sintetizado no Instituto de Física de Altas Energias, perto de Moscou, no acelerador U-70, que é atualmente o acelerador de partículas de maior energia na Rússia.)

Ainda menos progresso foi feito na síntese de antiátomos. Atualmente, apenas átomos de anti-hidrogênio foram sintetizados. Átomos únicos de anti-hidrogênio foram sintetizados no Centro Europeu de Física de Partículas (CERN) apenas em 1995. O verdadeiro avanço ocorreu em 2002, quando foram sintetizados cerca de 50 milhões de átomos de anti-hidrogénio. Desde então, o CERN tem sido líder mundial no estudo das propriedades físicas e químicas da antimatéria.

Antipartículas e leis fundamentais da natureza

Na física moderna, as simetrias desempenham um papel excepcional. Na teoria quântica de campos, uma das simetrias mais importantes é a chamada simetria CPT, ou seja, a simetria em relação à substituição simultânea de todas as cargas por © opostos, a reflexão espelhada do espaço (P) e a reversão do tempo (T). Acredita-se que apenas teorias simétricas CPT podem ser realizadas na natureza. Da simetria CPT decorrem muitas propriedades que partículas e antipartículas devem obedecer, por exemplo, a igualdade das massas de ambas. Atualmente, é interessante como não se comportam tanto as antipartículas individuais, mas sim os antiobjetos mais complexos, como núcleos e átomos. Por exemplo, o CERN está estudando ativamente as propriedades espectroscópicas dos átomos de anti-hidrogênio. A simetria CPT exige que essas propriedades sejam exatamente iguais às do átomo de hidrogênio. E o átomo de anti-hidrogénio deveria cair no campo gravitacional da Terra exactamente da mesma forma que um átomo de hidrogénio. E tal experiência está sendo realizada agora no CERN. Portanto, o CERN não é apenas o Grande Colisor de Hádrons e o bóson de Higgs. Isto inclui testar as simetrias fundamentais da natureza. Para compreender o mundo que nos rodeia, estas simetrias são ainda mais importantes que o bóson de Higgs. Até agora, os experimentos não conseguiram encontrar um único sinal de violação da simetria do CPT.

Agora olhemos em volta e façamos outra pergunta natural: por que é apenas a matéria que nos rodeia? E onde a antimatéria desapareceu do nosso mundo? Este problema é chamado de assimetria bárion do Universo. A partir do teorema CPT, é ingênuo esperar que após o Big Bang houvesse quantidades iguais de matéria e antimatéria. Isto significa que mais cedo ou mais tarde poderá ocorrer a aniquilação global. E apenas fótons solitários quase não interagentes correrão pelo Universo sem vida.

O mistério da assimetria bariônica ainda não foi resolvido. Várias respostas podem ser oferecidas aqui. Por exemplo, nosso sistema solar consiste em matéria, e outro sistema estelar, localizado longe do nosso, consiste em antimatéria. Mas então não está claro por que, em vez da aniquilação, a matéria e a antimatéria optaram por se separar no espaço? E os astrônomos não observam antimundos estelares.

Outra ideia foi proposta em 1967 pelo acadêmico soviético e ganhador do Prêmio Nobel da Paz, Andrei Dmitrievich Sakharov. Ele sugeriu que o número bariônico - o mesmo de que falamos no início deste artigo - foi violado e, adicionalmente, atraiu o fato experimental de violação da carga combinada e da paridade espacial (P). Então as partículas instáveis podem decair de forma um pouco diferente das antipartículas instáveis. E isso acaba sendo suficiente para que no final haja um pouco mais de matéria do que antimatéria. O resto da matéria e da antimatéria foram aniquilados. E todos os objetos do Universo consistem em um pequeno excesso de matéria. Atualmente, a teoria de Sakharov foi complementada e desenvolvida. Mas a ideia básica permanece a mesma.

Em antimatéria para as estrelas

Não é exagero dizer que a humanidade sonha em voar até as estrelas. Mas mesmo até à estrela mais próxima, Proxima Centauri, a luz do Sol demora mais de três anos. O resto das estrelas estão muito mais distantes. Os escritores de ficção científica superam facilmente essas distâncias gigantescas com a ajuda de túneis espaço-temporais, hiperdrives, a décima dimensão e outros métodos de transporte convenientes, mas, infelizmente, apenas imaginários. No mundo real, as naves espaciais dos primeiros exploradores estelares terão que se mover no mesmo espaço que a luz e de preferência a uma velocidade próxima à da luz. Ao mesmo tempo, queremos que tal espaçonave tenha a menor massa possível. Nesta situação, não há melhor combustível do que a antimatéria para uma nave espacial. Na verdade, toda a massa de combustível durante a aniquilação se transforma em fótons que voam para fora do bico na velocidade da luz. Os fótons devem acelerar a espaçonave a velocidades muito altas, que são frações da velocidade da luz. Isto significa que o voo para Proxima Centauri poderá demorar, digamos, trinta anos. Isto é muito, mas os exploradores estelares terão tempo para regressar à Terra dentro de uma geração. Qual é o próximo? Poderia ser como na ficção científica das décadas de 1950 e 1960: astronautas, quase sem idade devido ao paradoxo dos gêmeos, e meninas que os esperam na Terra em câmaras criogênicas. O romance cósmico dos dourados anos sessenta ou a dura vida cotidiana de dois mil e cinquenta? Mas tudo começou com a equação incomum de Dirac, que inevitavelmente tinha duas soluções, e de Karl Anderson, que imaginou inserir uma placa de chumbo na câmara de nuvens.

Não havia razão para supor que a existência do pósitron, ou, como é melhor chamado agora, do antielétron, fosse uma característica de pequenas partículas. Apesar de uma série de características específicas, a teoria da interação entre núcleons se desenvolve na mesma linha que a teoria da interação dos elétrons. A maioria dos trabalhos teóricos assume que os núcleons deveriam ser descritos por equações bastante semelhantes às equações de Dirac para elétrons. Se assim for, então para os núcleons deveríamos esperar a existência de antipartículas localizadas no mesmo

relação com o próton e o nêutron, nos quais o pósitron e o elétron estão localizados. A experiência tem mostrado que este é exatamente o caso do próton. Um pouco mais tarde foi descoberto o antinêutron, que difere do nêutron na direção do momento magnético (para o nêutron o momento magnético e o vetor do momento rotacional são antiparalelos, e para o antinêutron são paralelos).

Arroz. 246. (ver digitalização)

A descoberta do antipróton mostra a validade da ideia geral - a conexão inextricável do campo com as partículas. Assim como um par de pósitrons -

elétron, o par próton-antipróton pode surgir pela transferência de um núcleon de um estado de energia negativa para um estado com energia positiva. Para este propósito, é necessária energia não inferior a Esta é uma energia enorme, 1840 vezes maior que a energia necessária para criar um par elétron-pósitron. Foram necessários aceleradores com bilhões de elétron-volts para tornar possível a descoberta do antipróton.

Quando um próton encontra um antipróton, eles se aniquilam. Como os núcleons transferem energia através do campo méson, durante a aniquilação sua massa e energia serão dadas aos quanta desse campo - mésons.

Não há dúvida de que este processo será estudado detalhadamente nos próximos anos.

Na Fig. 246 mostra uma fotografia da aniquilação de um próton e um antipróton. O processo foi observado em uma câmara de bolhas cheia de propano líquido. O diagrama do processo é mostrado no canto superior esquerdo.

Considerações sobre a necessidade da existência de antipartículas também se aplicam aos neutrinos. A imagem “espelho” é chamada de antineutrino. A diferença entre as partículas que compõem o dupleto é a mesma de um nêutron e de um antinêutron.

Os múons, assim como outras partículas elementares das quais não falamos, também ocorrem na forma de um dupleto.

Os múons são um trio: o múon ocorre em variedades com cargas positivas e negativas, bem como com carga zero. Ao contrário do nêutron e do neutrino, um múon neutro, desprovido de spin, não pode ter uma antipartícula (pode-se dizer também: coincide com sua antipartícula). Outra partícula que não possui “reflexo” é o fóton.