Частицы и античастицы. Физический вакуум

Античастицы

Поль Дирак получил релятивистское уравнение квантовой механики. Оно имеет два корня для полной энергии частицы:

E = ±y/ m'²c⁴ + p²c².

Для частицы с массой m разрешены значения энергии:

E > mc² и E < - mc²;

запрещены

22

- mc < E < mc.

По этой теории существуют частицы с отрицательной массой и энергией: (- m)<0, E <0. Схема уровней энергии показана на рис.26.9.

Возникает вопрос: почему частицы с m>0, E>0 не сваливаются в область с отрицательной массой и энергией? Не сваливаются потому, что все уровни с E <0 заняты: работает запрет Паули. А если состояние с E <0 оказывается свободным, это - «дырка», вакантное место, отсутствие частицы. Отсутствие частицы с отрицательной массой означает присутствие частицы с положительной массой. Отсутствие частицы (электрона) с отрицательным зарядом эквивалентно присутствию частицы с положительным зарядом. Имеем: m 0, q>0 а это - позитрон е⁺, античастица по отношению к электрону.

Процесс (26.18) аннигиляции электронно-позитронной пары - это переход 1 (рис.26.9) электрона на свободное место в области энергий E<0 с испусканием фотонов. Процесс (26.19) рождения электронно-позитронной пары за счёт энергии фотона изображён стрелкой 2 на рис.26.9.

Физический вакуум

В теории Дирака не всё ясно. Например, непонятно, как быть с частицами с целым спином? Ведь на них не распространяется запрет Паули. Ещё одна трудность теории Дирака состоит в том, что физический вакуум должен иметь бесконечно большой заряд, так как в нём полно частиц с массой (- m)<0.

По Дираку, в вакууме непрерывно рождаются и исчезают виртуальные частицы (например, пары электрон-позитрон). Принцип неопределённостей это разрешает, если время жизни т таких частиц удовлетворяет условию:

t ■ DE > h, D E = 2mc ².

То есть, вакуум не является пустым пространством, где ничего не происходит. При наличии сильного внешнего поля виртуальные частицы могут стать реальными (26.19); поле расходует энергию на «растаскивание» частиц с противоположным зарядом в разные стороны. Закон сохранения энергии выполняется.

Экспериментальные подтверждения теории Дирака:

Обнаружена поляризация вакуума, приводящая к сдвигу в энергетических уровнях атома водорода (Лэмбовский сдвиг). Суть: заряд, внесённый в вакуум, частично экранируется виртуальными частицами, потому что заряд притягивает к себе виртуальные частицы с противоположным зарядом и отталкивает одноимённо заряженные; в результате эффективный заряд частицы оказывается меньше.

Теория Дирака предсказала существование многих частиц до их экспериментального открытия.

Античастицы есть у многих частиц. Но некоторые - истинно нейтральные (совпадают со своими античастицами), например, нейтральный пион п⁰.

Характеристики частиц

К фундаментальным характеристикам частиц относятся:

масса m;

заряд q;

среднее время жизни т;

спин s;

лептонный заряд L;

барионный заряд B;

странность S;

очарование С;

красота b;

изотопический спин (изоспин) T;

p и момент «-», если

спиральность (положительная «+»» или отрицательная «-»).

Спиральность частицы положительна «+», если её импульс импульса L направлены одинаково: p -- L, и отрицательна антипараллельно: p -Ф L. Если частица имеет массу, то спиральность ей приписывать нельзя: частица не может двигаться со скоростью света. В системе отсчёта, движущейся быстрее частицы, её импульс меняет направление, а момент импульса - нет; спиральность разная получается в разных системах отсчёта.

Изоспин T приписывается частицам, которые можно объединить в группу (мультиплет) и считать различными состояниями одной и той же частицы.

Примеры:

1. Пион л⁰, л”, л⁺. Число частиц в этом мультиплете равно трём (триплет). Число частиц в мультиплете определяется величиной изоспина; оно равно в общем случае (2Т+1). Таким образом, изоспин для пиона Т=1: (2Т+1)=2'1+1=3. Соответственно, возможны три «проекции» изоспина и три частицы: для л⁰ проекция изоспина Т₂=0; для л^- проекция Т₂=(-1); для л⁺ проекция Т₂=(+1).

2. Нуклон. Мультиплет состоит из двух частиц (дублет): протона p и нейтрона п. Изоспин равен T = 2. Возможны 2 проекции: T_z =- 2 (нейтрон п) и

T_z = + 2 (протон p).

Изоспин приписывается только адронам (частицам, участвующим в сильном взаимодействии).

Между характеристиками частиц существует соотношение: электрический заряд (отнесённый к элементарному е) равен:

q = T z + 2 (B + S + C - b).