Антипротон ,
п
, (произносится как п-бар ) — античастица протона . Антипротоны стабильны, но обычно они недолговечны, поскольку любое столкновение с протоном приведет к тому, что обе частицы будут уничтожены с выбросом энергии.
Существование антипротона с электрическим зарядом−1 e , противоположно электрическому заряду+1 е протона, был предсказан Полем Дираком в его Нобелевской лекции 1933 года. [4] Дирак получил Нобелевскую премию за публикацию в 1928 году своего уравнения Дирака , которое предсказало существование положительных и отрицательных решений уравнения энергии Эйнштейна ( ) и существование позитрона , антиматерийного аналога электрона , с противоположным зарядом и спином .
Антипротон был впервые экспериментально подтвержден в 1955 году на ускорителе частиц Беватрон физиками из Калифорнийского университета в Беркли Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом , за что они были удостоены Нобелевской премии по физике 1959 года .
С точки зрения валентных кварков антипротон состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка (тытыг). Все измеренные свойства антипротона совпадают с соответствующими свойствами протона, за исключением того, что антипротон имеет электрический заряд и магнитный момент, которые противоположны тем, что есть у протона, что и следовало ожидать от эквивалента протона в виде антиматерии. Вопросы о том, чем материя отличается от антиматерии, и значимость антиматерии в объяснении того, как наша вселенная пережила Большой взрыв , остаются открытыми проблемами — открытыми, отчасти из-за относительной редкости антиматерии в сегодняшней вселенной.
Антипротоны были обнаружены в космических лучах , начиная с 1979 года, сначала в экспериментах на воздушных шарах, а позднее — с помощью спутниковых детекторов. Стандартная картина их присутствия в космических лучах заключается в том, что они образуются при столкновениях протонов космических лучей с атомными ядрами в межзвездной среде , посредством реакции, где A представляет ядро:
п
+ А →
п
+
п
+
п
+ А
Вторичные антипротоны (
п
) затем распространяются через галактику , удерживаемые галактическими магнитными полями . Их энергетический спектр изменяется при столкновениях с другими атомами в межзвездной среде, и антипротоны также могут быть потеряны при «утечке» из галактики. [5]
Энергетический спектр антипротонных космических лучей теперь надежно измерен и согласуется с этой стандартной картиной образования антипротонов при столкновениях космических лучей. [5] Эти экспериментальные измерения устанавливают верхние пределы на количество антипротонов, которые могут быть получены экзотическими способами, такими как аннигиляция суперсимметричных частиц темной материи в галактике или излучение Хокинга, вызванное испарением первичных черных дыр . Это также обеспечивает нижний предел на время жизни антипротонов около 1–10 миллионов лет. Поскольку галактическое время хранения антипротонов составляет около 10 миллионов лет, внутреннее время распада изменит галактическое время пребывания и исказит спектр антипротонов космических лучей. Это значительно более строго, чем лучшие лабораторные измерения времени жизни антипротонов:
CPT-симметрия предсказывает, что величина свойств антипротона в точности соответствует таковой у протона. В частности, CPT-симметрия предсказывает, что масса и время жизни антипротона такие же, как у протона, а электрический заряд и магнитный момент антипротона противоположны по знаку и равны по величине таковым у протона. CPT-симметрия является основным следствием квантовой теории поля , и никаких ее нарушений никогда не было обнаружено.
._Photographer_unknown._October_6,_1955._BEV-938._ANTI-PROTON_SET-UP_WITH_WORK_GROUP;_E._SEGRE,_C._HAER_CAL,1-BERK,4-34.tif/lossy-page1-1280px-thumbnail.tif.jpg)
Антипротоны регулярно производились в Фермилабе для операций по физике коллайдера в Теватроне , где они сталкивались с протонами. Использование антипротонов допускает более высокую среднюю энергию столкновений между кварками и антикварками, чем это было бы возможно в столкновениях протонов. Это происходит потому, что валентные кварки в протоне и валентные антикварки в антипротоне, как правило, несут наибольшую долю импульса протона или антипротона .
Образование антипротонов требует энергии, эквивалентной температуре 10 триллионов К (10 13 К ), и это не происходит естественным образом. Однако в ЦЕРНе протоны ускоряются в протонном синхротроне до энергии 26 ГэВ , а затем врезаются в иридиевый стержень. Протоны отскакивают от ядер иридия с достаточной энергией для создания материи . Образуется ряд частиц и античастиц, и антипротоны отделяются с помощью магнитов в вакууме .
В июле 2011 года эксперимент ASACUSA в ЦЕРНе определил массу антипротона какВ 1 836 .152 6736 (23) раз больше массы электрона. [10] Это то же самое, что и масса протона, в пределах достоверности эксперимента.
В октябре 2017 года ученые, работающие над экспериментом BASE в ЦЕРНе, сообщили об измерении магнитного момента антипротона с точностью 1,5 части на миллиард. [11] [12] Это согласуется с самым точным измерением магнитного момента протона (также выполненным BASE в 2014 году), что подтверждает гипотезу симметрии CPT. Это измерение представляет собой первый случай, когда свойство антиматерии известно точнее, чем эквивалентное свойство материи.
В январе 2022 года эксперимент BASE, сравнивая отношения заряда к массе между антипротоном и отрицательно заряженным ионом водорода, определил, что отношение заряда к массе антипротона идентично отношению заряда к массе протона, с точностью до 16 частей на триллион. [13] [14]
В ходе лабораторных экспериментов было показано, что антипротоны обладают потенциалом для лечения некоторых видов рака, при этом аналогичный метод в настоящее время используется для ионной (протонной) терапии . [15] Основное различие между антипротонной терапией и протонной терапией заключается в том, что после выделения энергии ионов антипротон аннигилирует, выделяя дополнительную энергию в раковой области.
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )