И.М. Капитонов - Введение в физику ядра и частиц (1120452), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Но в 1954-1956 гг. появились факты, заставившие усомниться в этом, Один из них — д-т-парадокс. д и т — два символа одной н той же частицы (мезона), которая сейчас называется К+. Ранее полагали, что д в т — разные частицы. Многие их характеристики совпадали — электрические заряды, массы, спины (нулевые), сечения рождения. Однако способы распада были разными: 6+ ++ о (21%), К+ т+ -~ я++я++и (5.6%) (12.20) (основной тип распада К+ — > Р+ + и„(63,5%)). Оба распада «долгие» (аз 10 ее) и слабые. Так как спины д+ и т+ нулевые, то четность д+ должна быть положительной, а четность т+ — отрицательной.
Лействитчльно, четность двухпнонной системы ЄР(-1)ъ. Так как спины пиона н д+ равны 0 (.7„ = .уе = 0), то Ь = 0 и, поскольку Р„ = -1, то Ре — (-1)(-1)(-1) — +1. В случае т+, также имеющего нулевой спин, Р, = (-1)(-1)(-1)(-1) = -1 (более строго, лишь специальный анализ показывает, что в последнем случае Ь = 0; при этом распад идет с выделением относительно малой энергии 76 М»В), Итак, возникла дилемма: либо существуют практически вдевтвчвые частицы с противоположными четностями, либо четность ве сохраняется в слабых взаимодействиях. Американские теоретики Ли и Явг, анализируя ситуацию, обнаружвлн, что доказательства сохранения четности существуют только в свльных и электромагнитных взаимодействиях.
215 Их нет для слабого взаимодействия. В 1956 г. Лн н Янг заявили, что д и т тождественны, но четность не сохраняется в слабых взаимодействиях. Онн предложили поставнть специальный эксперимент по проверке этого утверждения. Первый такой опыт осуществила в 1957 г. Ву с сотрудниками в Колумбийском университете (США), н он подтвердил правильность вывода Лн н Янга. В опыте Ву изучался ф-распад поляризованных (т.е. с определенным направлением спина) ядер есСо: (12.21) згСо-+ зэУП+е +Ре и нзмерялось количество электронов, нспущенных по двум противоположным направлениям — по спину э ядра есСо и против спнна. Этн две возможности связаны зеркальным отражением (рис.
12.8). Рис. 1з.з При таком отражении (и ориентации спина У ядра ее Со перпендикулярно плоскости зеркала) направление вылета электрона (его импульс р,) меняется на противоположное, а вектор спина ядра остается нензменным. Последнее следует нз того, что показанное на рнс.
12.8 направление спина отвечает правому винту (вращеншо по часовой стрелке), Характер этого вращення при отражении не меняется — правый винт, атразнвшнсь, остается прайи м. Иввариантность относительно отражения требовала, чтобы в обоих случаях регнстрнровалось одинаковое чнсло электронов. Оказалось, однако, что электронов вылетает больше (примерно в 1.5 раза) в направлении противоположном У (правая часть рис. 12.8), чем в направлении У (левая часть рис. 12.8).
Таким образом, было доказано, что четность в слабых взанмсдействнях не сохраняется. В 1957 г. Лн и Янгу за это открытие была присуждена Нобелевская премня. Пеппи» 12 б. Спирвлъность Если вероятности разпкчвмх «ацравлепий спина одинаковы (спвны частиц ориентированы цроизвольно), то говорят о равной нулю поляризации частиц. Если спины направлены в одну сторону, то говорят о единичной (или стопррцентной) поляризации, и, если спин перпендикулярен импульсу, говорят о поперечноб поляризации. Предо»ьяая (круговая) поляризация означает, что спин частицы направлен вдоль ее импульса (рис. 12.9).
поперечная продольная поляризация попе рязэция Ряс. 1ЗД Провопо»яризованяоб считается частица, спин которой направлен по импульсу, »ееопо»яре»овсяное — против импульса (говорят о правой и левой спиральности). Спиральность Ь определяется как (12.22) Нравополяризованная частица имеет положительную спирапьность (Ь = +1), левополяризовавная — отрицательную (Ь = -1). В 1988г. экспериментально было показано, что спираль- ность нейтрино всегда отрицательна (Ь = -1) или нейтрино всегда имеет левую спирапъность, а антинейтрино — всегда правую (рис.
12.10) . Это явилось еп1е одним доказательством отсутствия ипвариантности к пространственной инверсии в слабых взаимодействиях. Нейтрино и антинейтрино, которые появляются и участвуют только в слабых процессах, — постоянные доказательства несохранения четности в слабых взаимодействиях, причем в данном случае четность не сохраняется стопроцентно, Р вола 4 он~2 Р ко 10=+1, 1,о-Н «,<а -1, 1,о+В Рлс. 12.10. Импульс, оплральяоозь я ояяи аазяяоатриво я яевтряло 21? вась «~ъс-11 ась «(йс+1) Рлс. 12.11.
Ииаувьс, слерьльивсть н спин фвтсиь Ло сих пор мы рассматривали нейтрино и фотон как частицы с продольной поляризацией. Без доказательства сформулируем следующее правило: любая час«пина с нулевой массой «юная продольнополлриэована, «а.е. имеет не более двуе ариев талий спина — параллельную и антпипараллсльную ее импульсу, независимо о«а величины спина. Проще всего это понять для фотона.
Он имеет спин .У = 1. Спин часткцы (собственный момент количества движения) можно, хотя и с оговорками, рассматривать как результат вращения частицы вокруг собственной оси симметрии. Лля массивной частицы это выглядит довольно естественно. Но как интерпретировать такое вращение в случае такой безмассовой частицы, как фотон? Единственная возможность — рассматривать это вращение как вращение электромагнитного поля (векторов Е н В). «л зс .
зю Остановимся на этом более подробно. Если не принимать в расчет лептонное квантовое число Х,„ то левая часть рис.12.10 (антинейтрино) связана с правой частью (нейтрино) операцией зеркального отражения. Инвариантность к такой операции означает, что если существует частила (в данном случае рь), у которой направления спина Л и импульса р совпадают, то должна существовать и зеркально отображенная частица, у которой спин противоположен импульсу. Посколъку пространственная инверсия не меняет лептонного квантового числа Ь„ то у этой зеркально отображенной частицы Ьс должно быть — 1, как н у й„т. е. наряду с антинейтрино, у которого Х н р направлены в одну сторону, должно было бы существовать и антинейтрино с противоположно направленными Л и р. Так как антинейтрино с такими свойствами нет, то зеркальная симметрия в рассматриваемом примере отсутствует, В противоположность этому фотон, который, как и нейтрино, безмассовая частица, движущаяся со скоростью света (для нейтрино зто, во всяком случае, хорошее приближение), существует как в виде левоспиральной, так и в виде правоспиральной частицы (рнс, 12.11).
Этот факт — прямое следствие сохранения четности в электромагнитных взаимодействиях. 218 и > уг Очевидно, для того чтобы удовлетворить условию поперечностн электромагнитной волны, вращение должно происходить лишь вокруг линии импульса (рвс. 12.12). правый винт левый винт ~Ин+1, ~,н+П >Э» 1, /.н-1) ряс. гзлз Таким образом, получаем, что спин фотона может иметь лишь две возможные ориентации (+1 и -1). Пулевая проекция спина фотона на направление вмпульса исключена. В 1909г. Пойнтивг предложил эксперимент для проверки своего предсказания о том, что электромагнитная волна, поляризованная по кругу, должка иметь момент количества движения. Первый успешный эксперимент такого рода был выполнен в 1935 г: Современный вариант этого эксперимента — микроволновый двигатель.
Мвкроволновое излучение, поляризованное по кругу, падает на электрический диполь, свободно подвешенный в конце волновода кругового сечения. Липоль поглощает энергию волны, получен момент количества движения, и начинает вращаться. Зная поглощенную энергию и частоту вращения, можно определить собственный момент количества движения фотона и убедиться, что' для фотона ~,ув~ = Ь, т.е. спин фотона равен 1, Левоспвральвость иейтрвво в правоспиральность анти- нейтрино можно согласовать с законом сохранения лептонного заряда лишь в случае ик безмассовости.
Такие частицы двигаются со скоростью света, и поэтому в любой системе коордвнат закрученные, например> по правому винту частипы остаются правоспирэльвыми. Лля частиц с л> ~ 0 можно указать такое преобразование Лоренца (вдоль импульса), которое изменит направление импульса на противоположное, оставив неизменным направление спина частИцы (т.е. направление ее собственного вращения), и частица, закрученная по правому винту, превратится в закрученную по левому винту в новой системе отсчета.
219 Если бы антинейтрнно обладало массой, то оно могло бы в новой системе отсчета поменять спнральность на противоположную и с этой точки зрения совпасть с нейтрино, и закон сохранения лептонного заряда не имел бы места. Мы уже упоминали в связи с обсуждением рис.12.10, что операция пространственной инверсии превращает йв в некий объект, которого нет и природе — лептонное число антинейтрино (Ь, = -1), а спиральность Ь = -1. Такой спиральностью обладает о„но у него Х, = +1, а не -1, как у Р,. Пространственнвл инверсия о, тоже приводит к несуществующему объекту с Ь, = +1 и Ь = +1. Это можно изобразить так: Руе = ~Хь= 11 Ь= 1)1 Роь = ~Хе=+1~ Ь=+1)~ (12 22) где справа от знака равенства стоят варианты, не использованные природой.
Отсутствие этих вариантов означает, что о, и р, не имеют определенной внутренней четности. Это же применимоко„(Ь= — 1) ион(Ь =+1), атакжеки, (Ь= — 1) ну, (Ь =+1). На изложенных фактах базируется теория двухкомпонентного дираковского нейтрино нулевой массы (такое описание безмассовых фермионов со спинам '/з впервые предложил Вейль в 1929 г.). Экспериментально также установлено, что в слабых процессах с заряженными слабыми токами отрицательно заряженные лептоны е, р и т рождаются левоиоллризованными, а их античастицы е+ + и т+ — н авоноля изованными с поляризацией с, где» вЂ” скорость частицы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
