С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Ценный запрет! Сохранение барионного числа стабилизирует протон против такого и многих других, какие только можно придумать, распадов. Среднее время жизни протона, если он и является нестабильным, составляет не менее 10зз лет. Сохраняются ли лептоньг? Из кинематики процессов Б-распада было известно, что электронное нейтрино имеет одну из самых малых масс (см. табл. 8.1). Кажется естественным предположить, что эта масса в точности равна нулю. Мюонное и тау-лептонное нейтрино не так экспериментально ограничены, но их масса все равно значительно меньше массы электрона. При рассмотрении этих нейтрино кажется естественным предположить, что все они имеют массу, равную нулю. Ноль— приятное число! Как уже неоднократно отмечалось, существует три семейства лептонов: е и и, (н их античастицы); р и и„(и их античастицы); г и и (и их античастицы).
В рамках стандартной модели, строгая безмассовость нейтрино имеет важные последствия. Она приводит к появлению трех отдельных законов сохранения для лептонов. Для электронного семейства это закон сохранения лептонного числа е-типа, где е и и, обладают лептонным числом е-типа, равным +1, а их античастицы — ( — 1); все другие частицы имеют это квантовое число, равным нулю. Аналогично можно рассматривать лептонные числа р-типа и г-типа, которые тоже строго сохраняются. Из этих законов сохранения можно получить, что запрещены распады р — в+То, х+ — р++Х, где объект Х должен быть нейтрино, а не антинейтрино; более того нейтрино ин, а не и, или и„.
182 Глава 8 Но постепенно растет убеждение, что нейтрино не является строго безмассовым, по крайней мере, во всех трех случаях. Доказательства этого не являются прямыми, а получаются из восхитительного приема. Уже давно известно, что если бы нейтрино обладали массой, то теоретически возможно, что при движении в пространстве или в веществе, будет сдвигаться исходное равенство между тремя типами нейтрино. Эта идея носит название нейтриннгях осцилляций. Так, и„по мере движения, может приводить к некоторым реакциям распада или столкновения, в результате которых меняется квантовая суперпозиция и„и„и и,. С течением времени возникают колебания пропорциональности состава нейтрино. Скорость колебаний будет зависеть от разности масс нейтрино, от энергий, от различных «смешивающих» параметров.
Никто этого не подтвердил, но известно, что теоретически это возможно, если нейтрино будут иметь массу. С экспериментальной стороны доказательства нейтринных осцилляций можно добыть по нескольким направлениям. Одно из них — нехватка нейтрино электронного типа, которые приходят к нам с Солнца. На Солнце получаются нейтрино только такого типа. Но наблюдаемый поток частиц очень мал, по крайней мере, он в два раза меньше. Возможно, что солнечные модели, предсказывающие такой поток нейтрино, просто ошибочны. Однако постепенно складывается мнение, что нехватка нейтрино действительно является реальной, даже если всего лишь какая-то часть нейтрино электронного типа осциллирует, переходя в нейтрино другого типа на пути к Земле.
Сушествует и другая аномалия, недавно достаточно твердо установленная экспериментально. Она связана с потоками нейтрино е- и и-типа, которые возникают в атмосфере при падении космических лучей и которые достигают детекторов на поверхности Земли. И снова возникает проблема: на этот раз изобилие нейтрино й;типа, по сравнению с нейтрино е-типа. Кажется, что осцилляции происходят прямо здесь. Вследствие всего этого при интенсивном изучении, которое происходит, нам, может быть придется распрощаться с этими утверждениями.
Кажется вероятным, что три утверждения закона сохранения для лептонов нарушены, хотя отклонения все же достаточно малы. При этом общий, т.е. закон сохранения для полного числа лептонов, может выжить: все три нейтрино и три отрицательно заряженных лептона имеют общее лептонное число +1; их античастицы — 1; все остальные О. В последуюшсм, когда мы будем говорить о сохранении лептонов, мы будем подразумевать полное число лептонов.
Чрезвычайно интересно другое: Вселенная населена нейтрино, оставшимися вместе с фотонами от Большого Взрыва. С некоторого времени известно, что Вселенная имеет какое-то энергетическое наполнение, заставляя действовать на себя гравитационно и не проявляя этого другим образом. Здесь возникает космологическая проблема «скрытой» массы (масса, по Эйнштейну, является эквивалентом энергии). Даже если нейтрино имеет малую массу, Свойства и закономерности 183 всего несколько электрон-вольт, она будет давать существенный вклад в скрытую массу Вселенной. В противоположность, как кажется, точным законам сохранения для электрического заряда, барионного числа и, возможно, полного лептонного числа существуют другие величины, про которые с самого момента их появления было известно, что они сохраняются только приближенно. Они аддитивно сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются в слабых. Всего имеется четыре таких величины.
Одна из таких величин — странность. Это понятие восходит к 50-м годам ХХ века, к открытию адронов, которые в одних комбинациях взаимодействовали сильно или электромагнитно, а в других — только слабо. Мы видели такие примеры раньше, Эти условия можно использовать, чтобы задать новый тип квантового числа — странность — для адронов таким образом, чтобы она сохранялась в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не в слабых, поскольку в них есть случаи нарушения законов сохранения. В обычных слабых процессах странность меняется на единицу между левой и правой сторонами уравнения.
Реакции, в которых она меняется больше, чем на единицу, не запрещены строго, но являются очень слабыми (и являются объектом интенсивных экспериментальных исследований). Для иллюстрации: нуклоны и пионы имеют странность Я = О, в то время как К+ мезоны имеют странность Я = 1. Соответственно, реакции к~р — ~ зг~+ зг" + и, згч + р - К ь + зг " + и, зг ь + р - К' + К~ + гг являются сильными, слабыми и очень слабыми. Есть и другие три величины, аналогичные странности. Они тоже сохраняются в сильных и электромагнитных, но не сохраняются в слабых взаимодействиях. Они появились позже, после того, как возникла гипотеза кварков.
Эти три величины, взятые вместе со странностью, барионным числом и электрическим зарядом, дают набор из шести аддитивных законов сохранения для сильных и электромагнитных процессов. Но шесть — это число типов кварков! Хотя эти законы сохранения нашли естественное место в современной, основанной на кварках теории, их можно воспринимать и так, что они получаются непосредственно из экспериментальных данных без всякой ссылки на основополагающую кварковую теорию. К кваркам Существует много других идей с приближенной симметрией, которые предлагались и обосновывались на основе экспериментальных данных. Концепция состоит в том, что существует нечто более сложное, чем 184 Глава 8 адднтивные законы сохранения.
Примером является симметрия изотопического спина, которая очень хорошо выполняешься в сильных взаимодействиях. При этом все адроны разделяются на группы, или изотопические мультиплеты, как их называют. Все частицы данного мультиплета имеют одинаковый спин, барионное число, и другие квантовые числа, исключая электрический заряд. Для расширения этой симметрии, чтобы можно было игнорировать нарушающие симметрию эффекты электромагнитного и слабого взаимодействия, необходимо, чтобы все частицы данного мультиплета имели одинаковую массу. Тогда (р, п) образуют ядерный дублет; (к ь, хо, и ) — образуют пионный трнплет; (Л) — синглет Л-частицы; (К+, К") — К-мезонный дублет, и так далее, группируя все адроны.
Уже здесь ясно, что есть основания для возможной группировки по изотопическому спину, А именно, р и и фактически имеют одинаковую массу, в то время как нейтральный пион имеет близкую массу с заряженными пионами. То же самое и в других мультиплетах. Изотопическая симметрия выходит за рамки этого. Часто бывает полезно предсказывать соотношения между поперечными сечениями различных процессов, включающих данный набор мультнплетов. Например, изотопическая симметрия дает определенные соотношения (которые мы здесь не будем описывать), связывающие поперечные сечения для процессов х +р Л+Кв, яо+р Л+Кь, +и Л К", .
+и Л+Кэ. В общем случае предсказания на основе симметрии изотопического спина очень хорошо подтверждаются экспериментальными данными. В начале 60-х годов ХХ века была предложена более широкая симметрия сильных взаимодействий. Известно, что с самого начала она не была такой, а была предложена как некоторое полезное приближение. Это Я7(3)-симметрия, к математическому содержанию которой мы не будем обращаться.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
