Антипротон

().

Античастица по отношению к протону. Масса и спин антипротона такие же, как у протона, барионное число B=-1. Электрический заряд (и магнитный момент) антипротона отрицателен и равен по абсолютной величине электрическому заряду (магнитному моменту) протона.

Антипротон был впервые обнаружен экспериментально в 1955 О.Чемберленом (О.Chamberlain), Э.Сегре (Е.Segre), К.Вигандом (С.Wiegand) и Т.Ипсилантисом (Т.Ypsilantis) в Беркли (США) на ускорителе протонов с максимальной энергией 6,3 ГэВ. Вследствие сохранения барионного числа рождение антипротона должно сопровождаться рождением протона, поэтому для рождения антипротона необходимо, чтобы суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц в системе центра масс превышала энергию покоя пары протон-антипротон. Это условие выполнялось на ускорителе в Беркли для соударения протонов с ядрами мишени. Опыт был поставлен следующим образом. Пучок протонов из ускорителя падал на медную мишень, в которой в результате взаимодействия протонов с ядрами меди рождались различные частицы. Магниты отбирали отрицательно заряженные частицы (преимущественно -мезоны), отклоняя их в направлении черенковских счетчиков, измерявших скорость частиц. Отождествление частицы с антипротоном проводилось по величине ее массы, которая определялась из соотношения между импульсом (измеряемым но отклонению в магнитном поле) и скоростью частицы. В опыте рождалось несколько антипротонов на 10¹¹ столкновений протонов с мишенью.

В отсутствие вещества антипротон, как и протон, с очень высокой степенью точности стабилен. В веществе "время жизни" медленного антипротона определяется скоростью его аннигиляции.

Кулоновское взаимодействие между антипротонами и ядрами может вызывать образование антипротонных атомов - связанных водородоподобных систем (см. Адронные атомы). На малых расстояниях между антипротоном и нуклоном действуют ядерные силы притяжения, которые могут приводить к образованию связанной системы антипротон-нуклон (бариония). В результате сильного (ядерного) взаимодействия между антипротоном и антинуклонами могут образовываться ядра антивещества, а в результате электромагнитного (кулоновского) взаимодействия между антипротоном и позитроном - атомы антиводорода.

К середине 80-х гг. на ускорителях получают пучки антипротонов высоких энергий, вплоть до 270 ГэВ (в столкновениях протонов высоких энергий с ядрами выход %). Результаты исследования взаимодействия таких антипротонов с нуклонами показывают, что с ростом энергии антипротона его аннигиляция с нуклонами становится все менее вероятной, а полное сечение -взаимодействия (в согласии с теоремой Померанчука) все более сближается с сечением pN-взаимодействия.

Согласно кварковой модели адронов (см. Кварки), антипротон состоит из трех конституентных антикварков; двух -кварков и одного -кварка.

Рождение пар протон-антипротон наблюдается не только в столкновениях адронов, но и в столкновениях встречных пучков электронов и позитронов с энергиями выше 1 ГэВ. Экспериментально установлено, что относительная вероятность рождения антипротона растет с ростом энергии пучков и при энергии около 30 ГэВ составляет несколько десятков процентов. Столь большая вероятность может быть объяснена фрагментацией в адроны жестких глюонов, вероятность рождения которых с ростом энергии увеличивается.

Длительное существование антипротона возможно только при низкой плотности нуклонов - в накопителях заряженных частиц, а также в космическом пространстве.

Наблюдение антипротонов в космических лучах указывает на наличие космических источников антипротонов. Таким источником может быть взаимодействие высокоэнергичных частиц космических лучей с межзвездным веществом. Антипротоны могут также рождаться, например, в оболочке пульсара при взаимодействии с ее веществом высокоэнергичных частиц, ускоряемых магнитным полем пульсара, а также в окрестности активного ядра Галактики. В связи с превышением наблюдаемого потока космических антипротонов (особенно в области энергий <1 ГэВ) над ожидаемым от естественных источников обсуждались такие возможные механизмы рождения антипротонов, как испарение первичных черных дыр, рождение антипротонов в распадах или при аннигиляции гипотетических тяжелых метастабильных частиц (например, гравитино, фотино), предсказываемых некоторыми моделями великого объединения и супергравитации и др. Последний механизм может служить основой проверки по космологическим следствиям таких предсказаний этих моделей, которые не могут быть непосредственно проверены в современных лабораторных условиях (например, масс гипотетических суперсимметричных частиц; см. Суперсимметрия), но могут отражаться в астрофизических данных, напр, о распространенности легких элементов во Вселенной.