Антипротон - Antiproton

Антипротон
Структура кварка antiproton.svg
В кварк содержание антипротона.
КлассификацияАнтибарион
Сочинение2 до антикварков, 1 вниз антикварк
СтатистикаФермионный
ВзаимодействияСильный, Слабый, Электромагнитный, Сила тяжести
СтатусОбнаружил
Символ
п
АнтичастицаПротон
ОбнаружилЭмилио Сегре & Оуэн Чемберлен (1955)
Масса938.2720813(58) МэВ /c2 [1]
Электрический заряд−1 е
Магнитный момент−2.7928473441(42) μN [2]
Вращение​1⁄2
Изоспин​-1⁄2
Антивещество
PositronDiscovery.jpg

В антипротон,
п
, (произносится p-бар) это античастица из протон. Антипротоны стабильны, но обычно недолговечны, поскольку любое столкновение с протоном приведет к тому, что обе частицы будут уничтожен в приливе энергии.

Существование антипротона с электрическим зарядом −1, противоположным электрическому заряду протона +1, было предсказано Поль Дирак в своей лекции 1933 г., получившей Нобелевскую премию.[3] Дирак получил Нобелевскую премию за публикацию в 1928 г. Уравнение Дирака предсказал существование положительных и отрицательных решений Эйнштейн уравнение энергии () и существование позитрон, аналог антивещества электрона с противоположным зарядом и спином.

Впервые антипротон был подтвержден экспериментально в 1955 г. Беватрон ускоритель частиц Калифорнийский университет в Беркли физики Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен, за что были награждены премией 1959 г. Нобелевская премия по физике. С точки зрения валентные кварки, антипротон состоит из двух антикварки и один антикварк (
ты

ты

d
 ). Все свойства антипротона, которые были измерены, соответствуют соответствующим свойствам протона, за исключением того, что антипротон имеет электрический заряд и магнитный момент, которые противоположны таковым в протоне. Вопросы о том, чем материя отличается от антивещества, и важность антивещества для объяснения того, как наша Вселенная пережила Большой взрыв, остаются открытыми проблемами - частично открытыми из-за относительной редкости антивещество в сегодняшней вселенной.

Встречаемость в природе

Антипротоны обнаружены в космические лучи более 25 лет, сначала с помощью экспериментов на воздушном шаре, а в последнее время с помощью спутниковых детекторов. Стандартная картина их присутствия в космических лучах состоит в том, что они образуются при столкновении космических лучей. протоны с ядрами в межзвездная среда, по реакции, где A представляет собой ядро:


п
 + А →
п
 +
п
 +
п
 + А

Вторичные антипротоны (
п
) затем распространяются через галактика, ограниченный галактическим магнитные поля. Их энергетический спектр изменяется из-за столкновений с другими атомами в межзвездной среде, и антипротоны также могут быть потеряны из-за «утечки».[нужна цитата ] галактики.

Энергетический спектр антипротонов космических лучей теперь надежно измерен и согласуется с этой стандартной картиной образования антипротонов в результате столкновений космических лучей.[4] Эти экспериментальные измерения устанавливают верхний предел количества антипротонов, которые могут быть произведены экзотическими способами, например, в результате аннигиляции антипротонов. суперсимметричный темная материя частицы в галактике или из Радиация Хокинга вызвано испарением изначальные черные дыры. Это также обеспечивает нижний предел времени жизни антипротона около 1-10 миллионов лет. Поскольку время хранения антипротонов в галактике составляет около 10 миллионов лет, внутреннее время жизни распада могло бы изменить время пребывания в галактике и исказить спектр антипротонов космических лучей. Это значительно строже, чем лучшие лабораторные измерения времени жизни антипротона:

Величину свойств антипротона предсказывают Симметрия CPT быть точно связанным с таковыми протона. В частности, CPT-симметрия предсказывает, что масса и время жизни антипротона будут такими же, как и у протона, а электрический заряд и магнитный момент антипротона будут противоположны по знаку и равны по величине с протоном. CPT-симметрия - основное следствие квантовая теория поля и никаких нарушений не обнаружено.

Список недавних экспериментов по обнаружению космических лучей

  • БЕСС: эксперимент с воздушным шаром, полеты в 1993, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004 (Polar-I) и 2007 (Polar-II).
  • CAPRICE: эксперимент с воздушным шаром, проведенный в 1994 году.[7] и 1998.
  • HEAT: эксперимент с воздушным шаром, проведенный в 2000 году.
  • AMS: космический эксперимент, опытный образец летал на космический шатл в 1998 г., предназначенный для Международная космическая станция, запущен в мае 2011 года.
  • ПАМЕЛА: спутниковый эксперимент по обнаружению космических лучей и антивещества из космоса, запущен в июне 2006 года. Недавний отчет обнаружил 28 антипротонов в Южноатлантическая аномалия.[8]

Современные эксперименты и приложения

Аккумулятор антипротонов (в центре) в Фермилаб[9]

Антипротоны обычно производились в Фермилаб для операций физики коллайдера в Теватрон, где они столкнулись с протонами. Использование антипротонов позволяет получить более высокую среднюю энергию столкновений между кварки и антикварки чем было бы возможно в протон-протонных столкновениях. Это потому, что валентные кварки в протоне и валентные антикварки в антипротоне, как правило, несут наибольшие доля импульса протона или антипротона.

Для образования антипротонов требуется энергия, эквивалентная температуре 10 трлн. K (1013 K), и это не происходит естественным образом. Однако на ЦЕРН, протоны ускоряются в Протонный синхротрон до энергии 26 гэВ а затем врезался в иридий стержень. Протоны отскакивают от ядер иридия с достаточно энергии для создания материи. Образуется ряд частиц и античастиц, и антипротоны отделяются с помощью магнитов в вакуум.

В июле 2011 г. ASACUSA эксперимент в ЦЕРН определил, что масса антипротона равна 1836.1526736(23) раз, что из электрон.[10] Это то же самое, что масса протона, в пределах достоверности эксперимента.

В лабораторных экспериментах было показано, что антипротоны могут лечить определенные виды рака, аналогичный метод, используемый в настоящее время для ионной (протонной) терапии.[11] Основное различие между антипротонной терапией и протонной терапией состоит в том, что после депонирования энергии ионов антипротон аннигилирует, выделяя дополнительную энергию в раковой области.

В октябре 2017 года ученые, работающие над БАЗОВЫЙ эксперимент в ЦЕРН сообщил об измерении антипротона магнитный момент с точностью до 1,5 частей на миллиард.[12][13] Это соответствует наиболее точному измерению протон магнитный момент (также сделанный BASE в 2014 г.), что подтверждает гипотезу Симметрия CPT. Это измерение представляет собой первый случай, когда свойство антивещества известно более точно, чем эквивалентное свойство материи.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Mohr, P.J .; Тейлор, Б. и Ньюэлл, Д. (2015), «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант в CODATA 2014», Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, США.
  2. ^ Smorra, C .; Селлнер, С .; Borchert, M. J .; Харрингтон, Дж. А .; Higuchi, T .; Nagahama, H .; Танака, Т .; Mooser, A .; Schneider, G .; Бохман, М .; Blaum, K .; Matsuda, Y .; Ospelkaus, C .; Квинт, Вт .; Walz, J .; Yamazaki, Y .; Ульмер, С. (2017). «Измерение миллионных долей магнитного момента антипротона» (PDF). Природа. 550 (7676): 371–374. Bibcode:2017Натура.550..371С. Дои:10.1038 / природа24048. PMID  29052625. S2CID  205260736.
  3. ^ Дирак, Поль А. М. (1933). «Теория электронов и позитронов» (PDF).
  4. ^ Кеннеди, Даллас С. (2000). «Антипротоны космических лучей». Proc. SPIE. Детекторы гамма-лучей и космических лучей, методы и задачи. 2806: 113–120. arXiv:astro-ph / 0003485. Дои:10.1117/12.253971. S2CID  16664737.
  5. ^ Caso, C .; и другие. (1998). «Группа данных по частицам» (PDF). Европейский физический журнал C. 3 (1–4): 1–783. Bibcode:1998EPJC .... 3 .... 1P. CiteSeerX  10.1.1.1017.4419. Дои:10.1007 / s10052-998-0104-х. S2CID  195314526.
  6. ^ Sellner, S .; и другие. (2017). «Улучшенный предел времени жизни антипротонов, измеряемый напрямую». Новый журнал физики. 19 (8): 083023. Дои:10.1088 / 1367-2630 / aa7e73.
  7. ^ Каприз эксперимент
  8. ^ Adriani, O .; Barbarino, G.C .; Базилевская, Г. А .; Bellotti, R .; Boezio, M .; Богомолов, Э. А .; Бонги, М .; Bonvicini, V .; Борисов, С .; Bottai, S .; Bruno, A .; Cafagna, F .; Campana, D .; Carbone, R .; Карлсон, П .; Казолино, М .; Castellini, G .; Consiglio, L .; Де Паскаль, М. П .; De Santis, C .; De Simone, N .; Di Felice, V .; Гальпер, А. М .; Gillard, W .; Гришанцева, Л .; Jerse, G .; Карелин, А. В .; Хеймиц, М. Д .; Колдашов, С.В .; и другие. (2011). «Открытие геомагнитно захваченных антипротонов космических лучей». Письма в астрофизический журнал. 737 (2): L29. arXiv:1107.4882. Bibcode:2011ApJ ... 737L..29A. Дои:10.1088 / 2041-8205 / 737/2 / L29.
  9. ^ Нагаслаев, В. (17 мая 2007 г.). Производство антипротонов в Фермилаб (PDF). Получено 14 августа 2015.
  10. ^ Хори, М .; Сотер, Анна; Барна, Даниил; Дакс, Андреас; Хаяно, Рюго; Фридрейх, Сюзанна; Юхас, Берталан; Паск, Томас; и другие. (2011). «Двухфотонная лазерная спектроскопия антипротонного гелия и отношение масс антипротонов к электронам». Природа. 475 (7357): 484–8. arXiv:1304.4330. Дои:10.1038 / природа10260. PMID  21796208. S2CID  4376768.
  11. ^ «Переносные антипротонные ловушки и медицинские приложения» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 22.08.2011.
  12. ^ Адамсон, Аллан (19 октября 2017 г.). «Вселенная на самом деле не должна существовать: Большой взрыв произвел в равных количествах материю и антивещество». TechTimes.com. Получено 26 октября 2017.
  13. ^ Smorra C .; и другие. (20 октября 2017 г.). «Измерение миллионных долей магнитного момента антипротона» (PDF). Природа. 550 (7676): 371–374. Bibcode:2017Натура.550..371С. Дои:10.1038 / природа24048. PMID  29052625. S2CID  205260736.