Антипрото́н — античастица протона. Имеет отрицательный электрический заряд и отрицательное барионное число, прочие свойства совпадают со свойствами протона. Антипротоны стабильны, но обычно они недолговечны, поскольку любое столкновение с протоном приводит к аннигиляции обеих частиц со вспышкой энергии.
Существование антипротона с электрическим зарядом , противоположным электрическому заряду протона , было предсказано Полем Дираком в его Нобелевской лекции 1933 года. Дирак получил Нобелевскую премию за публикацию в 1928 году своего уравнения Дирака, которое предсказало существование положительных и отрицательных решений уравнения эквивалентности массы и энергии Эйнштейна () и существование позитрона — антивещественного аналога электрона с противоположными зарядом и магнитным моментом.
Впервые антипротон был экспериментально подтверждён Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом в 1955 году на ускорителе частиц Беватрон в Беркли. Результаты были опубликованы в журнале Phys. Rev., а сама работа принесла её авторам Нобелевскую премию по физике за 1959 годПеркинс Д. Введение в физику высоких энергий. - М., Мир, 1975. - с. 82-85.
Антипротоны могут возникнуть при любом столкновении частиц с достаточной для этого энергией. Чаще всего их получают путём сталкивания высокоэнергетичного пучка протонов с ядрами подходящих элементов, а затем их используют для протон-антипротонных коллайдеров. Также антипротоны наблюдаются в приходящих на Землю космических лучах.
С точки зрения валентных кварков, антипротон состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка (). Все измеренные свойства антипротона совпадают с соответствующими свойствами протона, за исключением того, что электрический заряд и магнитный момент антипротона противоположны таковым у протона, что и ожидается от антиматериального эквивалента протона. Вопросы о том, чем материя отличается от антиматерии, и о роли антиматерии в объяснении того, как наша Вселенная пережила Большой взрыв, остаются открытыми проблемами, отчасти из-за относительной редкости антиматерии в современной Вселенной.
Взаимодействия с частицами
Аннигиляция с протоном Как любая другая античастица, антипротон может аннигилировать. Аннигиляция протона и антипротона при низких энергиях является процессом сильного взаимодействия, при котором барионная материя полностью переходит в мезоны (преимущественно пионы, а также каоны, -, -, -мезоны и др.).
Экспериментальные исследования показывают, что аннигиляция низкоэнергетических протонов и антипротонов идёт с образованием в среднем 5 пионов (3 заряженных), а в общем теоретически возможно выделение до 9 пионов. Может образоваться несколько нейтральных пионов или комбинация заряженных пионов (с суммарным зарядом 0) вместе с нейтральными. Суммарная вероятность образования каонов составляет около 5-6% от всех событий.
При высоких энергиях вероятность аннигиляции протона и антипротона понижается, и сечение этого процесса приближается к сечению процесса столкновения протона с протоном, в согласии с теоремой Померанчука.
Кулоновское притяжение между протонами и антипротонами позволяет им образовывать связанное состояние протония (экзотический атом, аналогичный позитронию), характеризующееся коротким временем жизни около 1 микросекунды и энергией связи около -0.75 КэВ.
Аннигиляция с нейтроном Антипротон также может аннигилировать с нейтронами. Для выполнения этой реакции антипротон сталкивают с ядром дейтерия (дейтроном, состоящего из нейтрона и протона), и часто антипротон провзаимодействует именно с нейтроном, оставив протон из ядра нетронутым "наблюдателем".
Чаще всего (около 95,5%) нейтрон и антипротон аннигилируют в несколько нестранных мезонов, при этом сумма зарядов заряженных пионов должна равняться −1, а количество нейтральных может быть произвольным (обозначается буквой ):
(около 16%); (около 60%); (около 23%).
Реже (2,5%) продуктами аннигиляции становятся несколько каонов или комбинация каонов и пионов с суммой заряда −1, или же комбинация пионов с векторными мезонами.
Нахождение в природе Антипротоны были обнаружены в космических лучах начиная с 1979 года, сначала с помощью экспериментов на аэростатах, а также с помощью спутниковых детекторов. Стандартная картина их присутствия в космических лучах заключается в том, что они рождаются при столкновениях высокоэнергетичных протонов космических лучей с атомными ядрами в межзвёздной среде. Наиболее эффективный способ происходит посредством реакции, где N обозначает начальное ядро, а X любая возможная частица или комбинация частицThe Antiproton Sources: Design and Operation: + N → + X.
Вторичные антипротоны () затем распространяются по галактике, удерживаемые галактическими магнитными полями. Их энергетический спектр изменяется в результате столкновений с другими атомами в межзвёздной среде, и антипротоны также могут быть потеряны из-за «утечки» из галактики.
В 2011 году команда детектора PAMELA (Научная аппаратура для исследования антиматерии/материи и астрофизики лёгких ядер) сообщила об обнаружении пояса антипротонов, окружающего Землю. Антипротоны удерживаются магнитным полем Земли, и подобные антипротонные пояса могут существовать вокруг планет-гигантов. Взаимодействия между космическими лучами и кольцами Сатурна могут порождать наибольшее количество антипротонов в Солнечной системе.
Энергетический спектр антипротонов космических лучей надёжно измерен и согласуется с этой стандартной картиной рождения антипротонов в результате столкновений космических лучей. Эти экспериментальные измерения устанавливают верхние пределы количества антипротонов, которые могли бы быть произведены экзотическими способами, например, в результате аннигиляции суперсимметричных частиц тёмной материи в галактике или излучения Хокинга, вызванного испарением первичных чёрных дыр. Это также даёт нижний предел времени жизни антипротона, составляющий около 1,7 миллиона лет. Поскольку время удержания антипротонов в галактике составляет около 10 миллионов лет, собственное время жизни до распада изменило бы время их пребывания в галактике и исказило бы спектр антипротонов космических лучей. Это значительно более жёсткое ограничение, чем лучшие лабораторные измерения времени жизни антипротона: Коллаборация LEAR (Low Energy Anti-Proton Ring) в ЦЕРН: 0,08 лет; Ловушка Пеннинга для антиводорода от Геральда Габриэльсе и соавторов: ; Эксперимент BASE в ЦЕРН: ; Коллаборация APEX в Фермилабе: 50 000 лет для → + что угодно; Коллаборация APEX в Фермилабе: 300 000 лет для → + .
CPT-симметрия предсказывает, что величины свойств антипротона точно связаны со свойствами протона. В частности, CPT-симметрия предсказывает, что масса и время жизни антипротона такие же, как у протона, а электрический заряд и магнитный момент антипротона противоположны по знаку и равны по величине таковым у протона. CPT-симметрия является фундаментальным следствием квантовой теории поля, и никаких её нарушений никогда не было обнаружено.
Список недавних экспериментов по обнаружению космических лучей
BESS: эксперимент на аэростатах, полёты которых состоялись в 1993, 1995, 1997, 2000, 2002, 2004 (Polar-I) и 2007 (Polar-II) годах. CAPRICE: эксперимент на аэростатах, полёты в 1994 и 1998 годах. HEAT: эксперимент на аэростатах, полёт в 2000 году. AMS: космический эксперимент, прототип которого летал на шаттле в 1998 году; предназначен для Международной космической станции, запущен в мае 2011 года. PAMELA: спутниковый эксперимент по обнаружению космических лучей и антиматерии из космоса, запущенный в июне 2006 года. В недавнем отчёте сообщается об обнаружении 28 антипротонов в Южно-Атлантической аномалии.
Современные эксперименты и применения
Производство Рождение антипротонов требует огромной энергии, и это, как правило, не происходит в естественных условиях. В 1960-х годах начались первые исследования аннигиляции антипротонов на протонах и нейтронах с использованием пузырьковых камер, заполненных жидким водородом и дейтерием (в BNL и ЦЕРН). Ранние эксперименты сталкивались с низкой интенсивностью и загрязнением пучков другими частицами (, , ). Появление стохастического и электронного охлаждения на установке LEAR в ЦЕРН позволило получать чистые, моноэнергетические пучки антипротонов с импульсами от 105 до 2000 МэВ/с. Малый разброс импульса позволил использовать не только жидкие, но и газовые водородные мишени.
Для получения антипротонов в LEAR пучок протонов с импульсом 23 ГэВ/с направлялся на бериллиевую мишень, сталкиваясь с ядрами атомов, при этом выделяя энергию, достаточную для «создания» антипротонов (преобразования кинетической энергии в новые частицы материи). При этом максимальный выход антипротонов наблюдался в районе импульса 3.5 ГэВ/c. После закрытия LEAR в ЦЕРН был построен замедлитель антипротонов AD (Antiproton Decelerator), дающий пучки от 100 до 300 МэВ/c для исследований антиводорода и каскадов в антипротонных атомах.
В современном протонном синхротроне в ЦЕРН протоны ускоряются до энергии 26 ГэВ, а затем антипротоны отделяются с помощью магнитов в вакууме.
Антипротоны регулярно производились в Фермилабе для физических экспериментов на коллайдере Тэватрон, 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.
24 марта 2026 года команда эксперимента BASE в ЦЕРН успешно перевезла облако из 92 антипротонов, накопленных в портативной криогенной ловушке Пеннинга, после отключения её от экспериментальной установки, погрузки ловушки на грузовик и транспортировки по главной территории ЦЕРН. Затем они смогли продолжить работу эксперимента с той же самой антиматерией после транспортировки, преодолев ограничение, заключающееся в том, что антиматерию трудно сохранить, так как она аннигилирует при контакте с материей.
Измерения В июле 2011 года в ходе эксперимента ASACUSAВ эксперименте ASACUSA заработала линия по производству антиводорода в ЦЕРН было установлено, что масса антипротона в 1836,1526736(23) раза превышает массу электрона. Это совпадает с массой протона в пределах погрешности эксперимента.
В октябре 2017 года учёные, работающие над экспериментом BASE в ЦЕРН, сообщили об измерении магнитного момента антипротона с точностью до 1,5 частей на миллиард. Это согласуется с наиболее точным измерением магнитного момента протона (также проведённым в рамках эксперимента BASE в 2014 году), что подтверждает гипотезу CPT-симметрии. Это измерение стало первым случаем, когда свойство антиматерии было определено точнее, чем эквивалентное свойство материи.
В январе 2022 года путём сравнения отношений заряда к массе у антипротона и отрицательно заряженного иона водорода, эксперимент BASE определил, что отношение заряда к массе у антипротона идентично таковому у протона с точностью до 16 частей на триллион.
Возможные применения В лабораторных экспериментах было показано, что антипротоны обладают потенциалом для лечения некоторых видов рака с помощью метода, похожего на ионную (протонную) терапию. Основное различие между антипротонной и протонной терапией заключается в том, что после выделения энергии ионом антипротон аннигилирует, выделяя дополнительную энергию в поражённой раком области.
Примечания
Категория:Барионы Категория:Антивещество Категория:Заряженные частицы Категория:Стабильные элементарные частицы Категория:Протон Категория:Заряженные элементарные частицы