Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 50
Текст из файла (страница 50)
5З9. Если пучком я -мезонов обстреливать мишень, то в результате реакции (5,50) из мишени будут вылетать Л-гипероны и Ко-мезоны. Так как время жизни Л-гиперонов 2,6 1О м с, они распадаются вблизи мишени на протон и я -мезон: Л- я +р. (5.53) Вблизи мишени наблюдаются также вилки я я+ от распадов Кв-мезонов (5.54) Однако такие распады наблюдаются лишь для 50% образовавшихся Кв-мезонов. В оставшихся 50% случаев Кл распадается гораздо дальше от мишени на три я-мезона.
б7. Распады нейтральных коонен. Нарушение СР-симметрии 259 Л Рнс.5 39. Образование К~-мезонин в реакции я + р-» Л+ К Каоны Ке и Ко являются частицей и античастицей по отношению друг к другу и связаны процедурой зарядового сопряжения, причем фазы выбраны так, что С!К>= — >К>, С!К>= — ~К>, Нейтральные каоны рождаются в сохраняющем нзоспин и странность сильном взаимодействии, а распадаются в результате слабого взаимодействия на два или трн пиона.
В слабом взаимодействии странность может не сохраняться. Позтому, находясь в свободном состоянии, Кь- и Кь-мезоны могут переходить друг в друга в результате двух последовательных виртуальных процессов с изменением странности в каждом из них на единицу: Ье = 1. В результате возникает смешивание состояний Ке и Ке. Механизм этого смешивания можно описать с помощью кварковой диаграммы (рис. 5.40). Слабые распады СР-инвариантны, поэтому частицы, распадающиеся за счет слабого взаимодействия, являются собственными состояниями оператора комбинированной инверсии СР. Но состояния Ко и Ко не являются собственными состояниями СР-оператора.
Действительно, с учетом выбора фазы в процедуре зарядового сопряжения нейтральных каонов и того, что оператор Р умножает каждое из состояний Ке и К" на — 1 (их внутренние четности отрицательны), действие операторов С, гг' Иl к > И/ Ко Рис.5.40. Кварковая диаграмма, поясняющая механизм смешивания К' и Кь за 2бО Пааво 5. Распады адронов Р и СР на волновые функции Ко и Ко можно суммировать в виде: С~Ко) = -~Ко>, С~К') = -~Ко>, о, ~ко) Р)Ко) 1Ко) СР>к") = )Ко), СР1К ) =- >К ), т.
е. состояния Ко и Ко не имеют определенного значения СР-четности. Однако из состояний Ко и Ко можно построить линейные комбинации Ко и Кзо, имеющие определенные значения СР-четности: 1к,"> = —.(>к'>+ 1к к)), >К7> = — (!к'> — ~к к>). ~Г2 ь'2 СР-четности состояний Ко и Ко соответственно +1 и — 1: СР~К,'> =+>К',>, СР!К,'> = -!Ко>. Ко и Ко не являются частицей и античастицей и поэтому могут иметь разные характеристики распада.
Проанализируем выполнение закона сохранения СР-четности в распадах нейтральных каонов на 2 и 3 я-мезона. двухпионные я+я и трехпионные я+я яо системы при нулевом орбитальном моменте 1 являются собственными состояниями СР-оператора. Действительно, для двухпионной системы при 1 = О операция Р эквивалентна обмену я+ и я местами. При таком обмене волновая функция приобретает множитель (-1)'. Так как внутренняя четность пиона отрицательна, то, Р)."..-) = Р~">Р).-)(- >г =+~".-) Операция С превращает я+ в гг и я в я+, т.е. она тоже эквивалентна обмену местами я+ н я -мезонов: С)я"'я ) = (-1) 1я~я ) =+1я" я ), Ср(х гг )=( — 1) 1я я >=+)я я ).
Таким образом, собственное значение СР-оператора двухпионной системы при 1 = О равно +1. Аналогично для трехпионной системы (яья яо) при 1 = О: Р~ ь - о> Р~ +>Р~ ->Р) о>( )г )я+ - о> С! я яо) ! +я о)( 1)У +~я+ яо) СР~, +я- .о> 1,+я- .о> Таким образом, собственное значение СР-оператора трехпионной системы при 2 = О равно — 1. Итак, состояния Ко и Ко имеют определенные значения СР-четности. При этом они не имеют определенного значения странности о. б 7. Распады нейтральных каннов. Нарушение СР-симметрия 261 Выражая Ко и Ко через Ко и К", можно записать 1К ) = 0К~) + 1Кг)).
1КК ) = (1К~) Жг)). ь'2 ь'2 То есть каждая из частиц Ко н Ко является суперпозицией состояний Ко и Кз~. Так как СР(К, )= +1, в соответствии с законом сохРанениЯ комбинированной четности, Ко распадается на 2 я-мезона. Его среднее время жизни т(Ко) 0,9 1О 'ос. Всвоюочередь, СР(Ко) = — 1, поэтому Ко распадается на 3 я-мезона, также без нарушения комбинированной четности. Время жизни Ко должно быть больше времени жизни Ко из-за меньшего фазового объема для продуктов распада. Действительно, т(Коз) 5 ° 10 о с.
Так как Ко-мезон на 50% состоит из компоненты Ко, то вблизи мишени наблюдаются распады этой компоненты на 2 я-мезона. На большем расстоянии от мишени наблюдается распад компоненты К~~ на 3 я-мезона. В природе существует две линейно независимые комбинации состояний К~о и Кво, котоРые отвечают частицам с Различным сРедним вРеменем жизни: т(Кь) = 5,1 10 с„т(Ке) = 0,9. 1О 1 с. Основные каналы распада Ко: Кво — я' я 69,2%, я~я~ 30,7 %. Основные каналы распада К~с: Кто — я я я~ 19,6 %, я я я 12,6%, я~р й„я раин 27,0%, я+е й„я е+и, 40,5%, пгс (К ) = 497,648 МэВ. Рассчитанная в предположении сохранения СР-инвариантности разность масс Ко и Ко пгс (Кь) — гпс (Кв) = (3,483 ж0,006). 10 " МэВ.
Если СР-инвариантность имеет место, можно считать: К,=К,, К,=Ко. о о о о Однако в 1964 г. Дж. Кронин и В. Фитч обнаружили, что в распадах нейтральных каонов происходит нарушение СР-инвариантности. Суще- ствует малая, но конечная вероятность распада: Ко ++ 262 Глава 5. Распады адронов в котором в конечном состоянии, как мы уже показали, собственное значение СР-оператора +1, причем: вероятность(Ка — я>я ) = (1.97б ~ 0,008) .
10 вероятность (Кьа - аП) Этот результат означает, что нельзя полностью отождествлять состояние Кэа с К", и Кьа с Кэа. Вместо этого можно следующим образом определить состоЯнин Кг и Кьа> где е> и ез — малые комплексные числа. Нарушение СР-четности невелико (доля распадов нейтральных каонов с нарушением СР-инвариантности в 1О '), однако само его существование явилось весьма важной для фундаментальной физики новостью в связи с реакцией явлений нашего мира на операцию обра>пеняя времени. Операция обращения времени (Т-преобразование) сводится к изменению направления течения времени: 1 — — 1 при неизменных пространственных координатах: й — г. Эта операция изменяет знаки у импульса и момента количества движения, превращая исходное движение в обратное (как бы прокручивание фильма в обратном направлении).
Уравнения Максвелла Т-ннвариантны. Сильное взаимодействие тоже Т-инвариантно. Одно из следствий Т-инварнантности — равные вероятности прямых и обратных реакций а+ Ь ч с+ Ы, Многочисленные проверки не обнаружили нарушения этого равенства. Однако точность таких проверок не слишком высока — обычно на уровне !0 э-1О '. Обнаружение нарушения СР-инвариантности позволяет сделать очень важный для физики вывод о Т-инвариантности нашего мира. Дело в том, что существует СРТ-.георема. Смысл СРТ-теоремы можно свести к следующему утверждению: наш мир и мир, полученный из нашего путем зарядового сопряжения, пространственной инверсии и обращения времени, идентичны. Инымн словами, наш мир и мир, являющийся его зеркальным отражением с заменой всех частиц на античастицы и движением всех объектов в обратном направлении, идентичны.
Любой мыслимый гамильтониан инварнантен относительно СРТ-преобразования. СРТ-теорема и нарушение СР-инвариантности приводят к дилемме. Либо нет Т-инвариантности (она должна нарушаться, если справедлива СРТ-теорема), либо СРТ-теорема не верна. Все известные факты свидетельствуют в пользу справедливости СРТ-теоремы. СРТ-инвариантность следует из общих принципов квантовой теории поля.
Ее нарушение потребовало бы радикально изменить такие основы этой теории, как принцип причинности и связь спина с квантовой статистикой. Простейшие тесты б 8. О роли слабых взаимодействий в окрузкающем мире 263 СРТ-инвариантности — равенство масс и времен жизни частиц и античастиц. Лучший известный тест — ограничение на разность масс Кв и ее античастицы Ке: Нарушение СР-инвариантности (при справедливости СРТ-теоремы) убедительно, хотя и косвенно, доказывает нарушение Т-инвариант- ности в распадах нейтральных каонов. Распад нейтральных каонов — не единственный известный процесс, в котором обнаружено нарушение СР- (а значит и Т-) инвариантности.
Исследования распадов Ве-мезонов показали, что и в этом случае также не сохраняется СР-четность. Выяснение причин нарушения СР-четности является одной из фундаментальных проблем современной физики. ф 8. О роли слабых взаимодействий в окружающем мире Из известных опытных данных следует, что роль слабых взаимодействий в окружающем нас мире в основном сводится к тому, что ими обусловлены распады частиц и атомных ядер, которые без слабых взаимодействий были бы стабильными. Чтобы представить себе роль слабых взаимодействий более наглядно, попробуем вообразить, каким стал бы окружающий нас мир, если бы в нем внезапно исчезли (выключились) те или иные взаимолействия. В существующем мире без сильных взаимодействий не претерпели бы значительных изменений квантовая электродинамика и вся физика лептонов. И комптон-эффект, и распад мюона протекали бы так же, как и в обычном мире, Но вот сильно взаимодействующих частиц, прежде всего протонов и нейтронов, либо не стало вовсе, либо вместо них появились совершенно другие частицы.
Таким образом, исчезла бы привычная нам материя и поэтому мир в целом стал бы совершенно иным во всей доступной нам области масштабов. Если бы исчезли электромагнитные взаимодействия, то атомные ядра и сильно взаимодействующие частицы остались бы, хотя и в сильно измененном виде.
Протон и нейтрон стали бы неотличимыми друг от друга. Точно так же одинаковыми стали бы частицы внутри каждого изоспинового мультиплата (например, три пиона), Начиная же с атомных масштабов и выше, мир изменился бы до полной неузнаваемости. Не стало бы ни молекул, ни атомов, ни электромагнитного излучения. Тем самым не стало бы и привычных нам макроскопических веществ. Но если бы исчезли слабые взаимодействия, то из всех частиц исчезли бы только нейтрино, а остальные лаже не претерпели бы существенных изменении (если только не учитывать, что слабые взаимодействия становятся на сверхмалых расстояниях столь интенсивными, что начинают 2б4 Глава 5.
Рослоды адронов сильно влиять на массы и структуру частиц). Ядра, атомы, молекулы, кристаллы по-прежнему могли бы сушествовать. Но стабильных частиц стало бы гораздо больше, и это сушественно обогатило бы возможные структурные формы материи на атомном и макроскопическом уровне. Прежде всего, число стабильных изотопов возросло бы почти на порядок за счет того, что стали бы стабильными (з-радиоактивные изотопы. Далее, стали бы стабильнымн частицы Рь. я, Кь, К', Ко, Л, з,*, Е, :"о, П .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
