Элементарные частицы и античастицы

Все атомы, из которых состоит вещество Вселенной, построены из трех элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Определение «элементарные» изначально подразумевало их статус первичных кирпичиков мироздания.

Но постепенно в космических лучах, а также на ускорителях открывали всё новые и новые частицы, число их достигло нескольких сотен. При столкновении ускоренных частиц друг с другом из их кинетической энергии рождаются другие частицы (на основе всё той же  формулы Эйнштейна Е=mc² , с соблюдением определенных законов). Большинство из них живут очень короткое время, распадаясь и превращаясь в другие частицы.

Все эти частицы по-прежнему называют элементарными, потому что расщепить их на составные части невозможно. Они распадаются, но не на составные части, а рождая другие частицы.

Кроме того, обнаружилось, что практически у каждой из элементарных частиц (кроме фотона и нейтрального пи-мезона) имеется своя античастица. Частица и античастица имеют в точности равные массы, спины и время жизни, но противоположные знаки электрического заряда (если он есть) и некоторых других характеристик. При встрече частицы и её античастицы происходит аннигиляция — взаимоуничтожение с освобождением энергии, равной энергии покоя исходных частиц; эту энергию уносят фотоны и пи-мезоны.

Аннигиляция — это единственный способ превратить всю массу в энергию. При аннигиляции 1 г вещества и антивещества выделяется энергия порядка 10¹⁴ Дж, что эквивалентно взрыву атомной бомбы, которая вдвое мощнее той, что разрушила Хиросиму.

Получение антивещества на Земле — технически очень сложная задача. Первые атомы водорода получены лишь в 1995 году на ускорителе Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН). На сегодняшний день, помимо атомов антиводорода, удалось синтезировать атомы антигелия. Антиатомы — это «штучный товар». И живут они из-за опасности аннигиляции недолго. Рекорд удержания антиатомов в магнитных ловушках составляет около 17 минут.

Античастицы участвуют в тех же взаимодействиях, что и частицы. Антипротоны и антинейтроны благодаря сильному взаимодействию соединяются в антиядра. Благодаря электромагнитному взаимодействию антиядра «обрастают» позитронами и превращаются в антиатомы, а они соединяются в антимолекулы. Антивещество обладает теми же свойствами, что и обычное вещество. Если бы существовали антизвезды, то они излучали бы точно такой же свет, как и обычные звезды, и наблюдая за ними в телескопы, мы не могли бы их различить.

Единственный способ обнаружить антивещество — это столкнуть его с веществом, чтобы произошла аннигиляция.

Тем не менее, ученые полагают, что во Вселенной практически нет антивещества (хотя попытки его обнаружить не прекращаются). Почему нет? Это до сих пор одна из самых больших загадок физики и космологии.