Антиматерія

[Кувалда]

Beatriz Gato-Rivera. Antimatter: What It Is and Why It's Important in Physics and Everyday Life. Springer, 2021. 312 pages
Беатріс Ґато-Рівера. Антиматерія: Що це таке і чому важливе у фізиці та повсякденному житті

Антиматерія один з найцікавіших аспектів фізики елементарних частинок, а анігіляція матерії-антиматерії найенергійніший процес у Всесвіті. Повсякденні предмети, зроблені з антиматерії, виглядали б так само, якби вони існували, як предмети зі звичайної матерії, так само, як і зорі з антиматерії. Ми живемо в оточенні антиматерії, бо зливи частинок матерії та антиматерії безперервно падають на поверхню Землі, деякі з них проникають у наші будівлі. Ба більше, багато речей навколо нас, наприклад банани, насправді випромінюють антиелектрони. Ця книжка спершу знайомить з основами фізики елементарних частинок та природою частинок і античастинок. Вона описує відкриття частинок антиматерії і пояснює, як вони утворюються, де їх можна знайти і як можна виявити антизорі; вона також знайомить з космічними променями, пришвидшувачами частинок, темною матерією, темною енергією і ядерними реакціями в зорях. Обговорюється загадка асиметрії матерії та антиматерії у Всесвіті, а також реальні застосування антиматерії в лікарнях, промисловості та передових дослідженнях і технологіях. Читачі-нефахівці знайдуть тут багато захопливої та доступної інформації, що поглибить їхні уявлення про антиматерію.

ВІДГУКИ
«Ця книжка — надзвичайний виклад сучасного стану науки про антиматерію, який блискуче написала Беатріс Ґато-Рівера. Вона захоплива, чарівна, строга і водночас доступна для широкої авдиторії, тому її, без сумніву, слід вважати однією з найкращих науково-популярних книжок, написаних за останні роки». (Професор Хосе Ґомес Ґалан, Університет Естремадури, Іспанія, та Університет Ани Ґ. Мендес, Пуерто-Ріка, США)
«Дуже приємна книжка про антиматерію, що прагне розгадати всі її таємниці. Задокументований і дуже сучасний виклад цієї дуже цікавої теми». (Професор Еміліо Елізальде, Інститут космічних наук, Белатера (Барселона), Іспанія)
«Захопливий екскурс у науку про антиматерію, приправлений незліченними історичними фактами та анекдотами». (Професор Вольфґанґ Лерхе, теоретичний відділ ЦЕРНу)
«Таємничий світ антиматерії часто здається пов'язанішим з науковою фантастикою, ніж із самою наукою. Книжка Беатріс Ґато-Рівери переконує нас у протилежному, описуючи цей новий світ, від його відкриття до дивовижних застосувань, приємним і строгим способом, зберігаючи водночас чарівність, яку антиречовина викликає в широкої публіки» (професор Мануель Асорей, Центр астрочастинок і фізики високих енергій, Університет Сарагоси, Іспанія).
««Антиматерія» Беатріс Ґато-Рівера — це чудовий, строгий і легкочитний вступ до теми для непрофесіоналів та ідеальне занурення в цю сферу для тих, хто вже присвятив себе цій науці і прагне ширшого охоплення як у сфері космології, так і в сучасних експериментальних технологіях». (Професорка Пілар Руїс-Лапуенте, Інститут фундаментальної фізики, ІНДР Мадрид, Іспанія)
«Мені дуже сподобалося читати цю прекрасну книжку «Антиматерія». Це текст, який я рекомендуватиму молодим і не дуже молодим дослідникам, а також будь-якій людині, що цікавиться науковими питаннями». (Професор П'єрджорджіо Пікоцца, Римський університет, керівник місії PAMELA)
«Майстерний виклад одного з найглибших і найзахопливіших відкриттів в історії фізики — неминучого наслідку квантової механіки і теорії відносності. Захоплива презентація, доступна кожному, хто зацікавлений у вивченні структури нашого Всесвіту». (Професор Луїс Альварес-Ґауме, Університет штату Нью-Йорку)

Передмова
Ця книжка — суттєво розширена та оновлена версія іспанського видання «Антиматерії», опублікованого в жовтні 2018 року видавництвом «ІНДР/Льос Ліброс де ля Катарата». Ця книжка, своєю чергою, стала природним продовженням кількох лекцій на тему антиматерії, з якими я виступала в Іспанській національній дослідницькій раді (ІНДР) в Мадриді з 2015 по 2017 рік.
Ця англомовна версія містить додаткові розділи через значне розширення наявного матеріалу, що привело до його перегрупування. Один розділ, однак, написаний повністю заново. У ньому описано основні характеристики антиматерії, темної матерії і темної енергії, протиставляючи їх одна одній, щоб дати глобальний погляд на екзотичний бік Всесвіту. Я вирішила додати цей розділ, щоб пролити світло на ці теми, бо вони, здається, створюють певну плутанину. Насправді, антиматерію часто плутають з темною матерією, яку, своєю чергою, також плутають з темною енергією.
Мадрид, Іспанія Беатріс Ґато-Рівера
листопад 2020 року

Подяки
Насамперед я глибоко вдячна моєму колезі і чоловікові Берту Шелекенсу (Ніхеф, Амстердам) за його постійну підтримку, за те, що він читав кожен рядок рукопису і допоміг намалювати багато ілюстрацій. Його вдумливі коментарі сприяли суттєвому покращенню цієї книжки.
Я також дуже вдячна багатьом колегам за те, що вони поділилися зі мною вельми корисною інформацією. Від космологів Еміліо Елізальде (ICE-CSIC, Барселона) та Пілар Руїс-Лапуенте (IFF-CSIC, Мадрид) я дізналася дуже цікаві факти про ранню історію космології та пришвидшення Всесвіту, ретроспективно. Від експертів з космічних променів, Мануеля Аґілара (CIEMAT, Мадрид) та Фернандо Аркероса (UCM, Мадрид), я отримала актуальну інформацію та поради щодо експерименту магнетного альфа-спектрометра на борту Міжнародної космічної станції та Обсерваторії П'єра Оже, відповідно. Стефан Ульмер (RIKEN, Лабораторія фундаментальних симетрій Ульмера, Японія) надав останні новини про експерименти з антиматерії, що проводяться в ЦЕРНі. Я також мала велику користь від наукових дискусій з фізиками елементарних частинок Серхіо Пастором Карпі та Хуаном Хосе Ернандесом (IFIC-CSIC, Валенсія), які, крім того, допомогли мені знайти дані та посилання з різних питань. Я хочу подякувати Александрові Долґову (Новосибірський державний університет та Університет Ферари) за детальну інформацію про теперішній стан досліджень структур антиматерії у Всесвіті, а також Горсту Бройкеру (ЦЕРН) за екскурсію на Фабрику антиматерії ЦЕРНу у вересні 2018 року. Я також висловлюю подяку Янові Вілему ван Голтену та Робертові Фляйшеру (Ніхеф, Амстердам) за корисну інформацію про космічні промені та В-мезонні системи, відповідно, а також П'єрові Сіківі (Університет Флориди) за деякі зауваження щодо виявлення аксіонів.
Я дуже ціную допомогу і доброзичливість Анжели Лагі та Крістіана Карона з видавництва «Шпрінгер», які від самого початку підтримували цей проєкт. Я також хотіла б подякувати іспанським видавництвам «Редакція ІНДР» та «Льос Ліброс де ля Катарата» за те, що вони дозволили мені використати іспанську книжку «Антиматерія» як основу для написання цієї книжки, значно розширеної та оновленої версії першої. Щодо цього я також вдячна Альберто Касасу (IFT-CSIC, Мадрид) і Фернандо Барберо (IEM-CSIC, Мадрид) за їхні численні коментарі до рукопису цієї книжки.
Нарешті, я дуже вдячна Національному інститутові субатомної фізики (Ніхеф, Амстердам) у Нідерландах, де була написана частина цієї книжки, за гостинність.

ЗМІСТ

1. Вступ
1.1. Попередні зауваження
1.2. Деякі основні поняття
1.2.1. Межа швидкості c
1.2.2. Йони та плазма
1.2.3. Ізотопи
1.2.4. Температурна шкала Келвіна
1.2.5. Степені 10
1.2.6. Одиниці маси та енергії
1.2.7. Часи та відстані

2. Антиматерія проти матерії
2.1. Атоми та антиатоми
2.2. Анігіляція матерії та антиматерії
2.3. Інші елементарні частинки
2.4. Властивості елементарних частинок
2.4.1. Спін і спіральність
2.4.2. Електричний заряд та електромагнетна взаємодія
2.4.3. Сильний заряд і сильна взаємодія
2.4.4. Слабкий заряд і слабка взаємодія
2.4.5. Маса: інерція та гравітація
2.5. Стандартна модель
2.5.1. Походження
2.5.2. Елементарні ферміони
2.5.3. Елементарні бозони зі спіном 1
2.5.4. Бозон Гіґза та механізм Гіґза
2.6. Поза межами Стандартної моделі
2.6.1. Суперсиметричні частинки
2.6.2. Частинки Калуци — Кляйна
2.6.3. Аксіони
2.6.4. Частинки темної матерії

3. Антиматерія проти темної матерії та темної енергії
3.1. Розширний Всесвіт
3.2. Антиматерія, темна матерія і темна енергія: основні властивості
3.3. Склад Всесвіту
3.4. Темна матерія: невидиме джерело гравітації
3.4.1. Докази на користь темної матерії
3.4.2. Кандидати на темну матерію
3.4.3. Виявлення темної матерії
3.5. Темна енергія: Всесвіт, що пришвидшується
3.5.1. Пришвидшене розширення Всесвіту
3.5.2. Кандидати на темну енергію
3.5.3. Темна енергія та доля Всесвіту

4. Відкриття антиматерії
4.1. Рівняння Дірака
4.2. Позитрон
4.3. Антипротони та антинейтрони
4.4. Антиядра
4.5. Антиатоми
4.6. Первинна та вторинна антиматерія
4.6.1. Первинна антиматерія
4.6.2. Вторинна антиматерія

5. Космічні промені
5.1. Піонери космічних променів
5.2. Каскади космічних променів
5.3. Космічні промені надвисоких енергій
5.4. Обсерваторія П'єра Оже
5.5. Межа ҐЗК
5.6. Детектори в космосі
5.6.1. Експерименти на повітряних кулях
5.6.2. Експерименти на борту супутників
5.6.3. Експеримент МАС-02

6. Фізичні пришвидшувачі елементарних частинок
6.1. Загальні відомості
6.2. Високоенергетичні зіткнення
6.2.1. Електрон-позитронні зіткнення
6.2.2. Гадронні зіткнення
6.3. Коротка історія фізичних пришвидшувачів елементарних частинок
6.4. ЦЕРН
6.5. Поза ВГК

7. Асиметрія матерії-антиматерії
7.1. Асиметрія матерія-антиматерія в астрофізиці
7.1.1. Нейтрино чи антинейтрино: ключовий фактор
7.1.2. Астрономічні спостереження: дифузний фон гама-променів (DGRB) та космічний мікрохвильовий фон (CMB)
7.1.3. Антизорі та антигалактики?
7.2. Асиметрія матерія-антиматерія в Стандартній моделі
7.2.1. Збережні величини: q, L та В
7.2.2. Зарядоспряження C
7.2.3. Обернення просторових координат P
7.2.4. Симетрія CP
7.2.5. Обернення часу T
7.2.6. Симетрія CPT
7.2.7. Частинково-античастинкові осциляції нейтральних мезонів
7.3. Баріогенез
7.3.1. Велика анігіляція
7.3.2. Баріогенез та умови Сахарова
7.4. Лептогенез
7.5. Етторе Майорана та його ферміони

8. Експерименти з антиатомами
8.1. Попередні зауваження
8.2. Експерименти
8.2.1. ATHENA та ATRAP
8.2.2. ALPHA
8.2.3. ASACUSA
8.2.4. BASE
8.2.5. AEGIS
8.2.6. ELENA
8.2.7. GBAR
8.2.8. FAIR
9. Медичні та технологічні застосування антиматерії
9.1. Медичні застосування
9.2. Технологічні застосування
9.3. Антиматерія як енергетичний ресурс?

Додаток А: Атомна спектроскопія

Додаток Б: Міт про Скобельцина та позитронні треки

Епілог

Подальше читання

Про авторку

Беатріс Ґато-Рівера, також відома як Б. Ґато, науковець Інституту фундаментальної фізики (IFF, Мадрид, Іспанія) ІНДР (Іспанської національної дослідницької ради). Після захисту докторської дисертації на тему супергравітації вона провела три роки в Масачусетському інституті технологій (MIT, Кембридж, США) і ще три роки в ЦЕРНі (Швейцарія), працюючи над теорією струн. Вона була головним дослідником чотирьох дослідницьких проєктів. Крім того, в ІФФ вона чотири роки очолювала відділ фізики елементарних частинок і космології, а з 2008 по 2019 рік була координатором групи «Математична фізика». Її наукові інтереси зосереджені на математичній фізиці, фізиці елементарних частинок, гравітації та основах квантової механіки. Протягом останніх десяти років вона також займається просвітницькою діяльністю, особливо публічними виступами, а в 2018 році опублікувала книжку «Антиматерія» у збірнику ІНДР «Que sabemos dei», яка стала основою для значно розширеної та оновленої англійської версії, що тепер доступна в цьому виданні «Антиматерія».

1

Вступ

1.1. Попередні зауваги
Антиматерія — один з найцікавіших аспектів фізики елементарних частинок. Коли хтось читає або чує слово «антиматерія», чи то в медіях, чи то в кіно, чи то в романі, перше, що спадає на думку: а про що тут ідеться? Насправді від самої назви антиматерії віє науковою фантастикою, чимось неземним. Однак це враження оманливе, бо фактично ми живемо в оточенні антиматерії та продуктів її анігіляції з матерією. З одного боку, ми занурені в постійну зливу з тисяч частинок, як матерії, так і антиматерії, що безперервно досягають поверхні Землі в усіх напрямках. Вони походять з верхніх шарів атмосфери, де утворюються через дію космічного проміння на атомні ядра молекул, що там містяться. Деякі з цих частинок можуть навіть проникати в наші будинки і споруди, пронизуючи все, що трапляється на їхньому шляху, зокрема й нас самих.
Самі по собі зорі — важливе джерело антиматерії, бо вона рясно утворюється в плазмі їхніх ядерних печей у вигляді антиелектронів, так званих позитронів. Вони швидко анігілюють з електронами в плазмі, забезпечуючи частину світла і тепла, випромінюваного зорями. Щодо Сонця, то близько 10% видимого світла, яке світить на нас сьогодні, походить від електрон-позитронних анігіляцій, що відбулися в ньому кілька сотень тисяч років тому. Крім того, деякі природні радіоактивні речовини, такі як калій-40, також випромінюють позитрони. Через це банан випускає приблизно 15 позитронів кожні 24 години з радіоактивних ядер цих атомів. Насамкінець, слід зазначити, що антиречовина широко використовується в нашому суспільстві: в медицині, а також у новітніх технологіях, де вона має багато застосувань. По суті, позитрони — невіддільний складник методів ПЕТ-візуалізації, що застосовуються в лікарнях по всьому світу.
Мета цієї книжки — пояснити, що таке антиматерія та багато інших питань, пов'язаних з нею. Ми побачимо, що вона протилежність звичайної матерії, але щоб повністю зрозуміти цю ідею, потрібно спуститися в царство елементарних частинок, де для кожного виду наявних частинок існує інша частинка з протилежними властивостями. Насправді це лише питання умовності, які з них ми називаємо частинками матерії, а які частинками антиматерії, або скорочено античастинками. Тому в розділі 2, після введення атомів і антиатомів та теми анігіляції матерії та антиматерії, ми надаємо вступ до фізики елементарних частинок. Ми починаємо з опису субатомних частинок і античастинок та сил взаємодії між ними, з детальним описом їхніх основних властивостей. Далі ми розглядаємо основні поняття, на яких побудована Стандартна модель, а також деякі аспекти, що виходять за межі цієї моделі.
Розділ 3 пояснює, що таке темна матерія і темна енергія, порівнюючи і протиставляючи їх антиматерії, забезпечуючи досить хороший вступ до цих двох предметів. У ньому також досить детально описано відкриття розширення Всесвіту і подальше відкриття його пришвидшення. Цей розділ не тільки корисний сам по собі, але й тому, що багато людей плутають антиречовину з невидимими компонентами Всесвіту (які з історичних причин називають «темними»).
У розділі 4 розглядаються основні віхи відкриття частинок антиматерії, починаючи з елементарних частинок і закінчуючи антиатомами. Зокрема, дуже детально описано відкриття першої з них — позитрона, що назавжди змінило фізику. Їх відкрито спочатку в космічних променях, а згодом у пришвидчувачах частинок, де вони були штучно створені. В останньому розділі обговорюється первинна та вторинна антиматерія, що становить важливу відмінність, бо перша могла б привести до виникнення структур з антиматерії у Всесвіті, таких як антизорі, якби вона існувала. Розділи 5 і 6 дають досить повний вступ до теми космічних променів і пришвидчувачів частинок — основних джерел антиматерії, доступних для нас, окрім деяких природних радіоактивних речовин.
Розділ 7 присвячений уже відомій проблемі асиметрії матерії та антиматерії у Всесвіті: чому у Всесвіті так багато матерії проти антиматерії? Це одна з найдивовижніших загадок в астрофізиці, фізиці елементарних частинок і космології. Ми обговорюємо її основні аспекти в астрофізиці, а також у Стандартній моделі фізики елементарних частинок, де використовуються так звані умови Сахарова як керівний принцип, що проливає світло на проблему первісного баріогенезу (створення протонів і нейтронів). Розділ містить короткий опис можливості баріогенезу через особливий тип нейтринного лептогенезу, а також тут обговорено деякі дослідження первісної антиматерії, зокрема, можливість того, що вона дала початок великим структурам, таким як антизорі і антигалактики. Нарешті, в ньому також розглянута загадка італійського фізика Еторе Майорани та його ферміонів.
Розділ 8 описує переважно експерименти, проведені на Фабриці антиматерії ЦЕРНу зі створення та аналізу атомів антиводню з метою порівняння їхніх властивостей з властивостями звичайного водню. Розділ 9 присвячений медичному та технологічному застосуванню антиматерії: її використанню в лікарнях для проведення позитронно-емісійної томографії, відомої як ПЕТ-сканер, а також для розв’язання багатьох дослідницьких завдань у галузі матеріалознавства та технологій. Також пояснюється, чому неможливо використовувати анігіляцію матерії-антиматерії як джерело енергії для задоволення щоденних потреб у наших будинках і на заводах, дарма що це найенергетичніший процес з усіх сущих (у тисячу разів ефективніший, ніж ядерна енергія).
Додаток А знайомить з атомною спектроскопією, важливим інструментом як для вивчення зір і галактик у Всесвіті, так і для дослідження атомів і антиатомів у лабораторіях. Додаток В розвінчує міт про російського фізика Дмитра Скобельцина та відкриття позитрона, який виник у середині 1950-х років у Кембриджі (Велика Британія) і поширився особливо серед британських науковців.
Нарешті, в Епілозі обговорюються деякі перспективи подальших досліджень антиматерії, а також міститься коротка науково-фантастична історія, щоб проілюструвати глибоку схожість між матерією та антиматерією.
Ми запрошуємо всіх читачів вирушити в цю пригоду, в подорож до світу антиматерії. Але перш ніж почнемо, ми введемо деякі терміни і поняття, які повторюватимуться в тексті. Спочатку ми пояснюємо значення межі швидкості c і що таке йони, плазма та ізотопи. Потім вводимо температурну шкалу Келвіна і опишемо степені 10. Нарешті, ми представляємо одиниці маси, енергії, часу і відстані, які використовуються у фізиці елементарних частинок, також відомій як фізика високих енергій.

1.2. Деякі основні поняття
1.2.1. Межа швидкості c
Межа швидкості c — це максимальна швидкість, з якою тіло може рухатися назустріч іншому тілу або віддалятися від нього; її значення становить 299,792 км/с. Крім того, безмасові частинки повинні рухатися з такою швидкістю у вакуумі, де їм не трапляються інші частинки, з якими могли б взаємодіяти. Цей дивовижний результат випливає зі спеціальної теорії відносності, яку Альберт Айнштайн сформулював у 1905 році, і означає, що неможливо пришвидшити субатомні частинки, незалежно від того, скільки енергії їм надається, щоб вони перевищили цю максимальну швидкість c. Однак слід додати слово застереження. Через розширення Всесвіту дуже далекі галактики зазвичай віддаляються від нашого Чумацького Шляху і одна від одної зі швидкостями, більшими за c, так званими надсвітловими швидкостями. Причина в тому, що сам простір зростає дуже швидко, захоплюючи за собою галактики, і це не суперечить спеціальній теорії відносності.
З історичних причин c відома як швидкість світла, бо вона збігається зі швидкістю електромагнетних хвиль, коли вони поширюються у вакуумі. Причина цього та, що електромагнетні хвилі можна інтерпретувати в термінах безмасових частинок — фотонів, які подорожують у просторі. На противагу цьому, коли фотони, або, еквівалентно, електромагнітні хвилі, поширюються через матеріальні середовища, їхня швидкість може бути набагато меншою і навіть нульовою всередині непрозорих середовищ, які їх поглинають; це залежить від характеристик матеріалу, а також від частоти хвиль. Наприклад, звичайні стіни непрозорі для електромагнетних частот видимого світла, але не для частот, що відповідають радіо, телебаченню, мобільним телефонам тощо, тому ці хвилі проходять крізь стіни без особливих труднощів.
1.2.2. Йони та плазма
Атоми складаються з центрального ядра, що складається з протонів і нейтронів, і зовнішньої оболонки, утвореної електронами, кількість яких рівна кількості протонів. За нормальних умов атоми є електрично нейтральними, тобто не мають електричного заряду, оскільки позитивні заряди протонів (+1 на протон) компенсуються негативними зарядами електронів (–1 на електрон). Однак з різних причин атоми можуть набувати або втрачати електрони. Наприклад, дуже енергійна частинка, що прилітає з-за меж Землі, може зіткнутися з електроном атома і висмикнути його з орбіти навколо ядра, що дуже часто трапляється в нашій атмосфері. За таких обставин атоми перестають бути електрично нейтральними і називаються йонізованими атомами, або йонами. Якщо йон має надлишок електронів, він негативний йон, а в супротивному разі — позитивний.
Але може статися й так, що під впливом високих температур або сильних електромагнетних полів електрони, які обертаються навколо атомних ядер, не розлітаються дуже далеко один від одного. Тоді йони і незв'язані електрони поводяться як електрично нейтральний газ, який називається плазмою, з (майже) врівноваженими позитивними і негативними електричними зарядами. Плазма один з чотирьох фундаментальних станів матерії (інші три — твердий, рідинний і газовий) і становить, імовірно, найпоширенішу форму звичайної матерії у Всесвіті. Приклади частково йонізованої плазми — блискавка та неонова реклама, тоді як внутрішні частини зір та їх корони складаються здебільшого з повністю йонізованої плазми.
1.2.3. Ізотопи
Атоми кожного елемента в періодичній таблиці характеризуються фіксованою кількістю протонів у ядрі. Це так званий атомний номер, на якому базується класифікація елементів. Однак кількість нейтронів певного елемента змінна і характеризує різні його ізотопи. Наприклад, водень — найпростіший і найлегший елемент, бо в його ядрі є один протон, але коли він утворюється в природі, то може мати нуль, один або два нейтрони. Тому існує три природні ізотопи водню, хоча лише два з них стабільні, а є ще кілька ізотопів, які були синтезовані в лабораторіях. Найпоширеніший, звичайний водень ¹Н, не має жодного нейтрона в ядрі; другий ізотоп, дейтерій, що позначається як ²Н або D, має один нейтрон; а третій ізотоп, тритій ³Н, має два нейтрони, радіоактивний і має період напіврозпаду 12,3 року (час, за який розпадається половина будь-якої кількості). Лівий надрядковий індекс на символі елемента вказує на атомне масове число ізотопу, яке дорівнює кількості протонів плюс нейтронів. Наступний елемент, гелій, має два протони в ядрі. Він має кілька ізотопів, але лише два з них стабільні: ³He і ⁴He, звичайний гелій, набагато поширеніший, ніж перший.
1.2.4. Температурна шкала Келвіна
Температурну шкалу Келвіна, якою користуються переважно науковці, запропонував у 1848 році британський фізик Вільям Томсон, відоміший як лорд Келвін. Це абсолютна температурна шкала, бо вона має абсолютний нуль, нижче якого температури не існує. Причина в тому, що температура — це міра енергії, а нуль Келвіна, 0 К, — це температура, за якої атоми і молекули мають найнижчу можливу енергію, так звану нульову енергію. Однак ця найнижча енергія не дорівнює нулеві через квантові флюктуації. Кроки в шкалі Келвіна — градуси Келвіна (К) — мають такий самий розмір, як і кроки в шкалі Цельсія — градуси Цельсія (°С), і відповідність між цими двома шкалами така: 0°С = 273,15 К і 0 К = –273,15°С, де 0°С означується як температура замерзання води (а 100°С — як температура кипіння) за атмосферного тиску на рівні моря. Хоча шкала Цельсія використовується в більшості країн світу, в США використовують шкалу Фаренгайта, де між точкою замерзання води (32 °F) і точкою кипіння (212 °F) 180 градусів (позначається °F). У цій шкалі абсолютний нуль температури відповідає 0 К = –459,67 °F.
1.2.5. Степені 10
Степені 10, які ми записуємо як 10^N, мають дуже просте значення. Якщо степінь N — додатне число, він вказує на кількість нулів, які потрібно додати після 1. Наприклад, одна тисяча виражається як 10³ = 1000; один мільйон — як 10⁶; один мільярд — як 10⁹ і один трильйон — як 10¹². І, навпаки, якщо показник степеня від'ємний, ми можемо записати 10^–N з N додатними, і тоді N нулів ідуть перед 1, яка займає N знак після коми. Отже, одна тисячна виражається як 10^–3 = 0,001; одна мільйонна (також звана мікро) — як 10^–6; одна мільярдна — як 10^–9 і одна трильйонна — як 10^–12.
1.2.6. Одиниці маси та енергії
Одиниці маси та енергії, що використовуються у фізиці елементарних частинок, ті ж самі, бо вони пов'язані через Айнштайнову формулу перетворення маси-енергії E = mc². Ці одиниці ґрунтуються на електронвольті, еВ, тобто енергії, яку набуває електрон під впливом електричного потенціалу один вольт. Найчастіше використовуються кратні еВ одиниці:
1кеВ = 10³ eВ, 1 MeВ = 10⁶ eВ, 1 ГeВ = 10⁹ eВ,
де к означає кіло, М — мега, а Г — гіга. Маса електрона становить 51,1 кеВ/с², тобто 0,511 МеВ/с². Це означає, що маса одного електрона може бути перетворена на фотони із загальною енергією 511 кеВ у відповідних процесах, таких як анігіляція з одним антиелектроном. Маса протона становить 938 МеВ/с², тобто у 836 разів більша за масу електрона. У кілограмах 1 МеВ/с² еквівалентний 1,78 × 10^–30 кг.
1.2.7. Часи та відстані
На відміну від енергій, у фізиці елементарних частинок відстані і часи в процесах і реакціях між частинками дуже малі. Тому для відстаней і часів переважно використовують частинні одиниці метра і секунди, відповідно:
мікросекунда, 1мкм = 10^–6 с
наносекунда, 1нс = 10^–9 с
пікосекунда, 1пс = 10^–12 с
фемтосекунда, 1фс = 10^–15 с
мікрометр, 1 мкмм = 10^–6 м
нанометр, 1 нм = 10^–9 м
пікометр, 1 пм = 10^–12 м
фемтометр, 1 фм = 10^–15 м

[Andriy]

кнжкгу

[Кувалда]

дякую