Антипротон

Антипротон , _
п
, (произносится как p-bar ) — античастица протона . Антипротоны стабильны, но обычно они недолговечны, поскольку любое столкновение с протоном приведет к аннигиляции обеих частиц в результате выброса энергии.

Существование антипротона с электрическим зарядом−1 e , противоположный электрическому заряду+1 е протона, было предсказано Полем Дираком в его Нобелевской лекции 1933 года. ^[4] Дирак получил Нобелевскую премию за публикацию в 1928 году уравнения Дирака , которое предсказало существование положительных и отрицательных решений уравнения энергии Эйнштейна ( ) и существование позитрона , аналога электрона из антивещества , с противоположным зарядом . и вращаться . $E=mc^{2}$

Антипротон был впервые экспериментально подтвержден в 1955 году на ускорителе частиц Беватрон физиками Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом из Калифорнийского университета в Беркли , за что они были удостоены Нобелевской премии по физике 1959 года .

В терминах валентных кварков антипротон состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка (тытыд). Все измеренные свойства антипротона совпадают с соответствующими свойствами протона, за исключением того, что антипротон имеет электрический заряд и магнитный момент, противоположные заряду и магнитному моменту протона, что и следует ожидать от эквивалента антивещества протон. Вопросы о том, чем материя отличается от антиматерии, а также о значимости антиматерии в объяснении того, как наша Вселенная пережила Большой взрыв , остаются открытыми проблемами — открытыми, отчасти из-за относительной нехватки антиматерии в сегодняшней Вселенной.

Встречаемость в природе

Антипротоны были обнаружены в космических лучах начиная с 1979 года, сначала в ходе экспериментов на воздушных шарах, а в последнее время с помощью спутниковых детекторов. Стандартная картина их присутствия в космических лучах состоит в том, что они образуются в результате столкновений протонов космических лучей с атомными ядрами в межзвездной среде в результате реакции, где A представляет собой ядро:

п
+ А →
п
+
п
+
п
+ А

Вторичные антипротоны (
п
) затем распространяются через галактику , ограниченную галактическими магнитными полями . Их энергетический спектр модифицируется столкновениями с другими атомами межзвездной среды, а антипротоны также могут теряться при «утечке» из галактики. ^[5]

Энергетический спектр антипротонов космических лучей теперь надежно измерен и согласуется со стандартной картиной образования антипротонов в результате столкновений космических лучей. ^[5] Эти экспериментальные измерения устанавливают верхний предел числа антипротонов, которые могут быть произведены экзотическими способами, такими как аннигиляция суперсимметричных частиц темной материи в галактике или излучение Хокинга, вызванное испарением первичных черных дыр . Это также обеспечивает нижний предел времени жизни антипротонов примерно 1–10 миллионов лет. Поскольку время галактического хранения антипротонов составляет около 10 миллионов лет, собственное время распада может изменить время пребывания в галактике и исказить спектр антипротонов космических лучей. Это значительно более строго, чем лучшие лабораторные измерения времени жизни антипротона:

Сотрудничество LEAR в ЦЕРН :0,08 года
Антиводородная ловушка Пеннинга Габриэльса и др.:0,28 года ^[6]
БАЗОВЫЙ эксперимент в ЦЕРН:10,2 года ^[7]
Сотрудничество APEX в Фермилабе :50 000 лет для
п
→мкм−+ что-нибудь
Сотрудничество APEX в Фермилабе:300 000 лет для
п
→е−+γ

Согласно предсказаниям CPT-симметрии, величина свойств антипротона точно связана со свойствами протона. В частности, симметрия CPT предсказывает, что масса и время жизни антипротона будут такими же, как у протона, а электрический заряд и магнитный момент антипротона будут противоположны по знаку и равны по величине заряду и магнитному моменту протона. CPT-симметрия является основным следствием квантовой теории поля , и никаких ее нарушений никогда не было обнаружено.

Список недавних экспериментов по обнаружению космических лучей

BESS : эксперимент на воздушном шаре, проведенный в 1993, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004 годах (Полярный-I) и 2007 году (Полярный-II).
CAPRICE: эксперимент на воздушном шаре, полеты в 1994 ^[8] и 1998 годах.
HEAT: эксперимент на воздушном шаре, полет в 2000 году.
AMS : космический эксперимент, прототип которого был запущен на космическом корабле "Шаттл" в 1998 году, предназначен для Международной космической станции , запущенной в мае 2011 года.
ПАМЕЛА : спутниковый эксперимент по обнаружению космических лучей и антивещества из космоса, запущенный в июне 2006 года. В недавнем отчете обнаружено 28 антипротонов в Южно-Атлантической аномалии . ^[9]

Современные эксперименты и приложения

Производство

Антипротоны обычно производились в Фермилабе для физических операций на коллайдерах в Тэватроне , где они сталкивались с протонами. Использование антипротонов позволяет получить более высокую среднюю энергию столкновений между кварками и антикварками, чем это было бы возможно при протон-протонных столкновениях. Это связано с тем, что валентные кварки в протоне и валентные антикварки в антипротоне имеют тенденцию нести наибольшую долю импульса протона или антипротона .

Для образования антипротонов требуется энергия, эквивалентная температуре 10 триллионов К (10 ¹³ К), и это не происходит естественным путем. Однако в ЦЕРНе протоны ускоряются в протонном синхротроне до энергии 26 ГэВ , а затем разбиваются о иридиевый стержень. Протоны отскакивают от ядер иридия с достаточной энергией для создания материи . Образуется ряд частиц и античастиц, а антипротоны отделяются с помощью магнитов в вакууме .

Измерения

В июле 2011 года эксперимент ASACUSA в ЦЕРН определил массу антипротона какВ 1 836 ,152 6736 (23) раза больше, чем у электрона. ^[10] Это то же самое, что и масса протона, в пределах уровня достоверности эксперимента.

В октябре 2017 года ученые, работающие над экспериментом BASE в ЦЕРН, сообщили об измерении магнитного момента антипротона с точностью 1,5 частей на миллиард. ^[11]^[12] Это согласуется с наиболее точными измерениями магнитного момента протона (также выполненными BASE в 2014 году), что подтверждает гипотезу CPT-симметрии. Это измерение представляет собой первый случай, когда свойство антивещества известно более точно, чем эквивалентное свойство материи.

В январе 2022 года, сравнивая отношения заряда к массе антипротона и отрицательно заряженного иона водорода, эксперимент BASE определил, что отношение заряда к массе антипротона идентично соотношению заряда к массе протона, вплоть до 16 частей на триллион. ^[13]^[14]

Возможные применения

В ходе лабораторных экспериментов было показано, что антипротоны могут лечить некоторые виды рака с помощью аналогичного метода, который в настоящее время используется для ионной (протонной) терапии . ^[15] Основное различие между антипротонной терапией и протонной терапией заключается в том, что после накопления энергии ионов антипротон аннигилирует, выделяя дополнительную энергию в раковую область.