Антипротон

Антипротон
Кварк содержание антипротона.
Классификация	Антибарион
Сочинение	2 антикварка вверх , 1 антикварк вниз
Статистика	Фермионный
Взаимодействия	Сильный , Слабый , Электромагнитный , Гравитация
Положение дел	Обнаруженный
Символ	п
Античастица	Протон
Обнаруженный	Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен (1955)
Масса	938,272 0813 (58) МэВ / c ² ^[1]
Электрический заряд	−1 e
Магнитный момент	-2,792 847 3441 (42) μ _N ^[2]
Вращение	¹ / ₂
Изоспин	^-1 / ₂

Антивещество

Аннигиляция
Устройства Ускоритель частиц Ловушка Пеннинга Камера Уилсона
Античастицы Позитрон Антипротон Антинейтрон
Использует Позитронно-эмиссионная томография Топливо Оружие
Тела АЛЬФА Сотрудничество АФИНА ЛОВУШКА ЦЕРН RHIC
Люди Поль Дирак Карл Дэвид Андерсон Андрей Сахаров
v т е

Антипротон ,
п
, (Выраженный р-бар ) является античастицей от протона . Антипротоны стабильны, но обычно недолговечны, так как любое столкновение с протоном приведет к аннигилированию обеих частиц в виде всплеска энергии.

Существование антипротона с электрическим зарядом −1, противоположным электрическому заряду протона +1, было предсказано Полем Дираком в его лекции 1933 года о Нобелевской премии. ^[3] Дирак получил Нобелевскую премию за публикацию в 1928 году своего уравнения Дирака, которое предсказывало существование положительных и отрицательных решений уравнения энергии Эйнштейна ( ) и существование позитрона , антивещественного аналога электрона с противоположным зарядом. и крутить. ${\ displaystyle E = mc ^ {2}}$

Антипротон был впервые экспериментально подтвержден в 1955 году на ускорителе частиц Bevatron Калифорнийским университетом, физиками Беркли Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом , 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 (тытыd). 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 - открытыми отчасти из-за относительной редкости антивещества в современной Вселенной.

Встречаемость в природе [ править ]

Антипротоны были обнаружены в космических лучах 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 протонов космических лучей с 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 изменяется из-за столкновений с другими атомами в межзвездной среде, и антипротоны также могут быть потеряны из-за "утечки" ^{[ цитата ]} из 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 суперсимметричных частиц темной материи в галактике или из-за излучения Хокинга, вызванного испарением первичных черных дыр.. 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:

Сотрудничество LEAR в ЦЕРНе :0,08 года
Антиводород Пеннинг ловушка из Gabrielse и др .:0,28 года ^[5]
БАЗОВЫЙ эксперимент в ЦЕРНе :10,2 года ^[6]
Сотрудничество APEX в Fermilab :50 000 лет для
п
→ μ- + что угодно
Сотрудничество APEX в Fermilab: 300 000 лет для
п
→ е- + γ

С помощью CPT-симметрии предсказывается, что величина свойств антипротона точно связана со свойствами 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 является основным следствием квантовой теории поля, и никаких ее нарушений никогда не было обнаружено.

Список недавних экспериментов по обнаружению космических лучей [ править ]

BESS : эксперимент с воздушным шаром, проводился в 1993, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004 (Polar-I) и 2007 (Polar-II).
CAPRICE: эксперимент с воздушным шаром, проведенный в 1994 ^[7] и 1998 годах.
HEAT: эксперимент на воздушном шаре, проведенный в 2000 году.
AMS : космический эксперимент, прототип , запущенный на космическом шаттле в 1998 году, предназначенный для Международной космической станции , запущен в мае 2011 года.
ПАМЕЛА : спутниковый эксперимент по обнаружению космических лучей и антивещества из космоса, начат в июне 2006 года. Недавний отчет обнаружил 28 антипротонов в Южно-Атлантической аномалии . ^[8]

Современные эксперименты и приложения [ править ]

Аккумулятор антипротонов (в центре) в Фермилаб ^[9]

Антипротоны обычно производились в Фермилабе для операций физики коллайдера в Теватроне , где они сталкивались с протонами. Использование антипротонов позволяет получить более высокую среднюю энергию столкновений кварков и антикварков, чем это было бы возможно в протон-протонных столкновениях. Это потому, что валентные кварки в протоне и валентные антикварки в антипротоне, как правило, несут наибольшую долю импульса протона или антипротона .

Для образования антипротонов требуется энергия, эквивалентная температуре 10 триллионов К (10 ¹³ К), и этого не происходит естественным путем. Однако, в ЦЕРН , протоны ускоряются в Протон синхротрона с энергией 26 G эВ , а затем разбили в иридиевого стержня. Протоны отскакивают от ядер иридия с энергией, достаточной для создания вещества . Образуется ряд частиц и античастиц, и антипротоны отделяются с помощью магнитов в вакууме .

В июле 2011 года эксперимент ASACUSA в ЦЕРНе определил, что масса антипротона равна1 836 .152 6736 (23) раза больше , чем электрон . ^[10] Это то же самое, что масса протона, в пределах уровня 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 экспериментом BASE в ЦЕРНе, сообщили об измерении магнитного момента антипротона с точностью до 1,5 частей на миллиард. ^[12]^[13] Это согласуется с наиболее точным измерением магнитного момента протона (также сделанным BASE в 2014 году), которое поддерживает гипотезу CPT-симметрии . Это измерение представляет собой первый случай, когда свойство антивещества известно более точно, чем эквивалентное свойство материи.

См. Также [ править ]

Антивещество
Антинейтрон
Позитрон
Антиводород
Антипротонный гелий
Список частиц
Переработка антивещества

Ссылки [ править ]

^ Мор, П.Дж.; Тейлор, Б.Н. и Ньюэлл, Д.Б. (2015), «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант в рамках CODATA за 2014 год» , Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, США.
^ Сморра, C .; Sellner, S .; Borchert, MJ; 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 частей на миллиард магнитного момента антипротона» (PDF) . Природа . 550 (7676): 371–374. Bibcode : 2017Natur.550..371S . DOI : 10.1038 / nature24048 . PMID 29052625 . S2CID 205260736 .
^ Дирак, Поль AM (1933). «Теория электронов и позитронов» (PDF) .
Перейти ↑ Kennedy, Dallas C. (2000). «Антипротоны космических лучей». Proc. ШПИОН . Детекторы гамма-лучей и космических лучей, методы и задачи. 2806 : 113–120. arXiv : astro-ph / 0003485 . DOI : 10.1117 / 12.253971 . S2CID 16664737 .
^ 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 . DOI : 10.1007 / s10052-998-0104-х . S2CID 195314526 .
^ Sellner, S .; и другие. (2017). «Улучшенный предел времени жизни антипротона, измеряемый напрямую» . Новый журнал физики . 19 (8): 083023. DOI : 10,1088 / 1367-2630 / aa7e73 .
^ Каприз Эксперимент
^ Адриани, O .; Барбарино, GC; 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, депутат; De Santis, C .; De Simone, N .; Di Felice, V .; Гальпер, AM; Gillard, W .; Гришанцева, Л .; Jerse, G .; Карелин, А.В.; Хеймиц, доктор медицины; 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 . DOI : 10.1088 / 2041-8205 / 737/2 / L29.
^ Nagaslaev, V. (17 мая 2007). Производство антипротонов в Фермилаб (PDF) . Дата обращения 14 августа 2015 .
^ 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 . DOI : 10,1038 / природа10260 . PMID 21796208 . S2CID 4376768 .
^ "Антипротонные переносные ловушки и медицинские приложения" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 22 августа 2011 года.
Рианна Адамсон, Аллан (19 октября 2017 г.). «Вселенная на самом деле не должна существовать: Большой взрыв произвел равное количество материи и антивещества» . TechTimes.com . Проверено 26 октября 2017 года .
^ Smorra C .; и другие. (20 октября 2017 г.). «Измерение частей на миллиард магнитного момента антипротона» (PDF) . Природа . 550 (7676): 371–374. Bibcode : 2017Natur.550..371S . DOI : 10.1038 / nature24048 . PMID 29052625 . S2CID 205260736 .

[2014_CODATA-1] Мор, П.Дж.; Тейлор, Б.Н. и Ньюэлл, Д.Б. (2015), «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант в рамках CODATA за 2014 год» , Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, США.

[2] Сморра, C .; Sellner, S .; Borchert, MJ; 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 частей на миллиард магнитного момента антипротона» (PDF) . Природа . 550 (7676): 371–374. Bibcode : 2017Natur.550..371S . DOI : 10.1038 / nature24048 . PMID 29052625 . S2CID 205260736 .

[3] Дирак, Поль AM (1933). «Теория электронов и позитронов» (PDF) .

[4] Перейти ↑ Kennedy, Dallas C. (2000). «Антипротоны космических лучей». Proc. ШПИОН . Детекторы гамма-лучей и космических лучей, методы и задачи. 2806 : 113–120. arXiv : astro-ph / 0003485 . DOI : 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 . DOI : 10.1007 / s10052-998-0104-х . S2CID 195314526 .

[6] Sellner, S .; и другие. (2017). «Улучшенный предел времени жизни антипротона, измеряемый напрямую» . Новый журнал физики . 19 (8): 083023. DOI : 10,1088 / 1367-2630 / aa7e73 .

[7] Каприз Эксперимент

[8] Адриани, O .; Барбарино, GC; 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, депутат; De Santis, C .; De Simone, N .; Di Felice, V .; Гальпер, AM; Gillard, W .; Гришанцева, Л .; Jerse, G .; Карелин, А.В.; Хеймиц, доктор медицины; 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 . DOI : 10.1088 / 2041-8205 / 737/2 / L29.

[9] Nagaslaev, V. (17 мая 2007). Производство антипротонов в Фермилаб (PDF) . Дата обращения 14 августа 2015 .

[Mhori-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 . DOI : 10,1038 / природа10260 . PMID 21796208 . S2CID 4376768 .

[11] "Антипротонные переносные ловушки и медицинские приложения" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 22 августа 2011 года.

[TT-20171025-12] Рианна Адамсон, Аллан (19 октября 2017 г.). «Вселенная на самом деле не должна существовать: Большой взрыв произвел равное количество материи и антивещества» . TechTimes.com . Проверено 26 октября 2017 года .

[NAT-20171020-13] Smorra C .; и другие. (20 октября 2017 г.). «Измерение частей на миллиард магнитного момента антипротона» (PDF) . Природа . 550 (7676): 371–374. Bibcode : 2017Natur.550..371S . DOI : 10.1038 / nature24048 . PMID 29052625 . S2CID 205260736 .

[1]