okun-fizika-elementarnykh-chastits (810758), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

26) тел - ре . Ведь, как мы уже знаем, рождение антинейтрино и уничтожение нейтрино осуществляет один и тот же оператор. л р Рис. 26 Рис. 26 Аналогичным образом, произведение сопряженных токов т,е и пр дает распад протона р — 1- пе+т, (он происходит в некоторых ядрах, в которых энергия связи протона мень. ше энергии связи нейтрона) и реакцию т,р-~ не+. Реакцию м,р -+.

ле' удалось впервые наблюдать лишь в 1956 г., используя поток антинейтрино, испускаемых ядерным реактором. Этот эксперимент, осуществленный группой Райнеса, положил начало изучению слабых реакций (до этого экспериментально наблюдались лишь слабые распады). В 1962 г. в Брукхейвенской лаборатории (США) был успешно осуществлен первый ускорительный нейтринный эксперимент, в котором наблюдались неупругие столкновения нейтрино с атомными ядрами. Нейтринный пучок получался здесь при распадах быстрых и-мезонов: Й+ — ~" р+уи и л — ~ р тих которые, в свою очередь, рождались при соударении пучка протонов с ядрами. В этом опыте было установлено, что мюонные и электронные нейтрино различны.

В 1964 г. в Москве, в Институте теоретической и экспериментальной физики, в ядерной реакции, идущей под действием пучка нейтронов из ядерного реактора, впервые наблюдались слабые ядерные силы. На языке Ферми такие силы обусловлены взаимодействием тока рп с сопряженным током пр. Это открытие подтвердило выдвинутую задолго до этого гипотезу о том, что существует взаимодействие единого слабого заряженного тока со своим сопряженным током, Если бы весь заряженный ток состоял только из двух слагаемых (рп+ч,е), то в произведении (рп+~,е) (ир+ет,) было бы четыре слагаемых. В электронном р-распаде проявляется слагаемое (рп)(еч,). В позитронном р-распаде проявляется сопряженное слагаемое (ч,е)(пр).

В слабых ядерных силах — диагональное слагаемое (рл)(пр). Другое диагональное слагаемое, (ч,е)(ст«), должно давать рассеяние электронных нейтрино на электронах. Этот процесс впервые удалось наблюдать на опыте лишь в 1976 г. Но к этому времени уже не оставалось сомнений, что схема «токХток» правильна. Только место нуклонов в токе заняли кварки, а лептонов стало больше. Слагаемые заряженного тока Все, что мы знаем сегодня о слабых распадах и реакциях, обусловленных заряженными токами, может быть выражено как результат взаимодействия полного заряженного тока 1 и сопряженного ему тока 1».

Установлено, что ток 1 является суммой 9 слагаемых, из которых 3 — лептонных (е»„1«ч,„, тч«) и 6 — кварковых («(и, зи, Ьп, Хс, ж, Ьс). Если предположить, что существует также и 6-й кварк, г'-кварк, то к току 1 надо добавить еще три слагаемых (Й, Й, Ьг), В дальнейшем мы будем обсуждать свойства слабого тока, предполагая, что г-кварк существует, и записывая ток 1« в виде 1 =- еч, + рч„+ тч, + Уъ ди + У;„ни + У-„Ьн + +У«»,(.+~';«~+(гь-,Ь.+УЪ + ~'мз1+У»«Ь1 где Кзь, У«-„-, ..., У», — числовые коэффициенты. 54 Даже при беглом взгляде на это выражение бросается в глаза различие между лептонами и кварками.

Во-первых, лептоны образуют токи только со своими нейтрино, в то время как любой из «верхних» кварков образует токи с каждым из «нижних» кварков, независимо от принадлежности к тому или иному поколению. Во-вторых, три лептонные пары входят с единичными коэффициентами; это означает, что их взаимодействия совершенно одинаковы. В то же время коэффициенты при кварковых токах, вообще говоря, не равны друг другу. В основе современной теории слабого взаимодействия лежит идея о том, что «при правильном взгляде» на кварковый ток он должен выглядеть совершенно аналогично лептонному.

Поясним, в чем заключается этот «правильпый взгляд», на упрощенном примере. Для этого мысленно перенесемся в мир, где есть только два поколения: «электроняое» (»„е, и, с~) и «мюонное» (ч„, р, с, з). Таким, кстати, представлялся многим физикам наш реальный мир в начале 1975 г., когда с-кварк был уже открыт, а т-лептон и Ь-кварк — еще нет.

Идея заключается в том, чтобы в таком мире полный ток записать в виде !=еч«+ рю„)-Д'и рз'с„ где д' и з' — «повернутые кварки», представляющие собой взаимно-ортогональные комбинации: «(' = д соз О, -ь з з 1п О„з' =- — д з)п О, б з соз О,. При этом четыре коэффициента, а-„„, а;„, а«ч, а;„выражаются через один параметр — угол О„получивший название угла Кабиббо. Замечательно, что экспериментальные данные подтверждают такую структуру слабого тока (с точностью до поправок, связанных с существованием третьего поколения). Извлеченное из них значение угла О, близко к 13' ()яп О,~= ж0,22). Малость угла О, проявляется на опыте в том, что распады странных частиц (идущие под действием тока из) подавлены по сравнению с р-распадом нейтрона (разумеется, после пересчета на одинаковое энерговыделение по закону бгб»), а очарованные частицы предпочитают распадаться в странные (под действием тока ж).

Легко видеть, что если бы угол О, равнялся нулю, то странные частицы были бы вообще стабильны, так как з-кварк мог бы, в принципе, превращаться только в более тяжелый а-кварк, что для реальных распадов запрещено законом сохранения энергии.

С точки зрения слабых токов «истинными частицамиь являются повернутые состояния й' и з', не имеющие определенных масс. С точки зрения масс «истипными частицами» являются «( и з, имеющие определенные и разные массы. Если бы определенные массы имели 3' и з', то мы всегда имели бы дело только с й' и з'. Ситуация напоминала бы ситуацию с нейтрино (см, ниже). Если теперь перейти в реальный мир, где есть три поколения, то 1=еч,—; р,т„+тт« ';Ги+ з с+Ы. Здесь уже повернуты три кварка: «(, з, б- й', з', Ь', и вместо простой матрицы поворота 2Х2 мы должны иметь дело с матрицей ЗХЗ, общий внд которой довольно громоздок. Можно показать, что в общем случае матричные элементы этой матрицы выражаются через четыре независимых параметра, три угла О„О„О, (эйлеровы углы в трехмерном пространстве) и фазовый множитель еса (см.

с. 170). Угол О, близок к углу Кабиббо (па опыте !з(п О,)= =-0,231~0,003). Экспериментальные значения двух других углов н фазы пока что известны довольно плохо: 0,05<1з(пО,!«=0,1, 0,0~<~э!пО,1<О,ОО, !3~<0,3. Определение этих параметров и проверка всей схемы повернутых кварков — очень интересная и важная задача. Как мы увидим в дальнейшем, идея о повернутых кварках играет важную роль в единой калибровочной теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Зеркальная асимметрия В трех предыдущих параграфах мы обсуждали то, что можно назвать ароматической структурой слабого взаимодействия, и совершенно не касались пространственно-спиновых свойств заряженных токов, Сейчас мы приступаеч к рассмотрению этих свойств.

Фундаментальной особенностью слабого взаимодеиствия является то, что слабые процессы зеркально-асимметричны. В 1956 г., анализируя возможные объяснения казавшихся в то время парадоксальными распадов К'-мезонов на два и три пиона, Ли и Яш выдвинули гипотезу о том, 56 ь что слабые взаимодействия не сохраняют пространственную четность, Многочисленные эксперименты буквально через несколько месяцев подтвердили справедливость этой гипотезы. Зеркальная асимметрия была обнаружена в р-распаде ядер, в распадах мюонов, пионов, К-мезонов и гиперонов, Поразительно, что речь шла не о маленьком эффекте, а о стопроцентной асимметрии в десятках различных распадов. Оглядываясь назад, трудно понять, как настолько яркое явление оставалось необнаруженным в течение такого длительного времени.

Но легко представить себе тот шок, который вызвало это открытие. Ведь закон сохранения четности рассматривался как один из великих геометрических законов сохранения, наряду с законами сохранения импульса и углового момента. Сохранение импульса следует из однородности пространства, сохранение углового момента — из его изотропии. Точно так же сохранение четности должно следовать из, казалось бы, очевидной зеркальной симметрии пустого пространства, отсутствия у вакуума винтовых свойств.

Пустота оказалась совсем не простой и ее свойства— совсем не очевидными. Мы уже обсуждали выше необычные свойства вакуума в КХД. В дальнейшем столкнемся и с другими примерами. Следует подчеркнуть, что шок, вызванный несохранением четности, имел в основном философский характер. Что касается, так сказать, теоретико-ремесленной, технической стороны дела, то квантовая теория поля без всяких трудностей вместила в себя это явление. Пространственная четность Р некоторой физической величины характеризует поведение этой величины при зеркальном отражении координатных осей, прн так называемом Р-отражении: х — — х, у — — у, г — — г. Векторные величины (так называемые полярные векторы), такие, например, как импульс р, вектор-потенциал А и напряженность элекгрического поля Е, меняют знак при этом преобразовании. Они Р-нечетные. Псевдовекторные или, что то же, аксиально-векторные величины, такие, как векторное произведение двух векторов, орбитальный угловой момент Е, спин о' и напряженность магнитного поля О, знака не меняют.

Они Р-четные. Скалярное произведение двух векторов или двух аксиальных векторов является скаляром, Скаляр Р-четеи Скалярное произведение полярного и аксиального векторов является псевдоскаляром. Псевдоскаляр Р-нечетен. 57 До 1956 г. считали, что лагранжиан обязательно должен быть скаляром. После 1955 г. стало ясно, что лагранжиан слабого взаимодействия состоит из двух слагаемых: скалярного и псевдоскалярного. За счет скалярного слагаемого псевдоскалярный К+-мезон с сохранением четности распадается в три пиона.

За счет псевдоскалярного слагаемого тот же Кэ-мезон с нарушением четности распадается в два пиона. Однако в большинстве других распадов оба слагаемых дают одни и те же конечные частицы, но в разных орбитально-спиновых состояниях. Интерференция этих состояний и дает упомянутые выше зеркально-асимметричные эффекты; например продольную поляризацию спина р-электрона в направлении, противоположном его импульсу, или корреляцию импульса р-электрона со спином распадающегося нейтрона и т. д. Такие корреляции меняют свой знак при Р-отражении, и потому в зеркале мы видим процессы, которых нет в природе, например непускание правополяризованных р-распадных электронов, Р— А-ток В своей исходной теории Ферми предположил, что слабые токи — векторные, т. е., подобно электромагнитному току, являются четырехмерными векторами.

Характеристики

Список файлов книги