28. Перегруппировка водорода и антиводорода
В первой половине XX в. физики обнаружили, что для каждого типа частиц существуют свои античастицы: для протона — антипротон, для нейтрона — антинейтрон, для электрона — позитрон и так далее. Частицы и их античастицы имеют одинаковые массы, но электрические заряды у них противоположны: позитрон — положительно заряженная частица, а антипротон заряжен отрицательно. Из-за этого частицы и античастицы притягиваются друг к другу за счет обычных электрических сил, и, если им ничто не мешает, они могут образовать связанное состояние. Это будет некоторая компактная система наподобие атома водорода, но только с другими участниками взаимодействия. Например, электрон и позитрон образуют связанную систему, которую называют позитроний (обозначение — Ps) и которую уже давно изучают экспериментально.
Конечно, связанные состояния частиц вещества и антивещества нестабильны и быстро аннигилируют, превращаясь в излучение. Однако за время, отпущенное частице и античастице до аннигиляции, они порой успевают прожить очень бурную жизнь, которую физики умудряются проследить в мельчайших подробностях.
Возьмем для примера атом водорода (связанное состояние протона и электрона) и атом антиводорода (связанное состояние антипротона и позитрона) и столкнем их на небольшой скорости. Что при этом произойдет? Конечно, не исключена прямая аннигиляция атомов в излучение. Но можно представить себе и иной вариант развития событий. Антипротон способен объединиться с протоном, а позитрон — с электроном. Две новые связанные системы могут разлететься прочь (см. рис. 1) и уже потом, где-то далеко от места рождения, проаннигилировать.
Рис. 1. Перегруппировка частиц при столкновении атомов водорода и антиводорода. Темными кружками показаны положительно заряженные частицы, более светлыми — отрицательно заряженные. Размеры кружков условно передают массы частиц. Слева — водород и антиводород, справа — протон-антипротонная пара и позитроний
Сможет ли такая перегруппировка частиц реально произойти? Это зависит от того, насколько крепко связаны друг с другом частицы в этих состояниях.
Задача
Докажите, что такая перегруппировка атомов водорода и антиводорода действительно энергетически выгодна. Зависит ли этот результат от соотношения масс протона и электрона? Эффектами ядерного взаимодействия между протоном и антипротоном в этой задаче пренебрегаем.
