Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.9. Нарушение принципа зеркальной симметрии. Несохранение комбинированной четности

Общеизвестно, какое большое значение имеет понятие о симметрии пространства в непрерывных пространственно-временных преобразованиях. Требование одновимірності пространства приводит к сохранению импульса, тогда как из изотропности пространства вытекает сохранения момента импульса. Однородность времени проявляется в законе сохранения энергии.

Рассмотрим другие симметрии природы, связанные с возможностью замены правого на левое, частицы на античастинку и возвратность текучести времени. Каждую из этих трех симметрий можно считать точной относительно сильного и электромагнитного взаимодействий частиц, но они нарушаются для слабого взаимодействия.

Еще в далеком прошлом считали, что природа абсолютно симметрична, что физические процессы не изменятся от того, если заменить правое на левое, частичку на античастинку или даже привычное течение времени на обратный. В 1956 г. впервые было высказано предположение, а впоследствии подтверждено экспериментально, что зеркально отраженный мир за физическими свойствами отличный от реального.

Попытки объяснить некоторые загадочные факты в розпадах каонів на два и три пионы привели к истинно революционного предположение о том, что природа способна отличать правое от левого в процессах слабого взаимодействия. Это возможно лишь тогда, когда нет так называемой зеркальной симметрии. Действительно, зеркальной симметрии соответствует зеркальное отражение. Симметрия в данном случае означает идентичность левого и правого. Математически зеркальное отражение оформляется в виде замены знака в одной из координат (х -> -х)_в если зеркало совпадает с плоскостью yz. Более общее математическое преобразование, основанное на замене знаков у всех координат ( -> -), состоит из зеркального отражения с последующим поворотом на 180° вокруг оси, перпендикулярной к плоскости зеркала. Такое преобразование называют инверсией координат.

Зеркальная симметрия связана с понятием пространственной четности (сокращенно Р-четности, от англ. parity - четность).

В квантовой механике состояния объектов (микрочастиц или систем объектов) характеризуются волновыми функциями, а много физических характеристик систем квантируются, то есть определяются квантовыми числами. Пространственная четность является квантовым числом, которое приобретает всего двух значений: +1 и -1; Р-четность равна +1, если волновая функция квантовой системы не меняет знак при инверсии координат, и равен -1, если волновая функция меняет знак. Закон сохранения пространственной четности заключается в том, что квантово-механическая система может находиться лишь в состояниях с определенной Г-четностью: или Р = +1 (парный состояние), или Р = -1 (нечетный состояние). Четность состояния не меняется со временем. Сохранения Р-четности отражает симметрию физических явлений относительно инверсии координат. Впервые закон сохранения Р-четности (1924 г.) сформулировал немецкий физик О. Лапорт процессов излучения света атомами. Ученый установил, что энергетические уровни атома разбиваются на два класса - четные и нечетные, а также, что излучение или поглощение фотона сопровождается переходом с уровня с определенной четностью на уровень с противоположным четностью. При этом фотон наделяется отрицательной четностью Р = -1. Следовательно, Р-четность сложной системы равна произведению Р-парностей составных частей.

Долгое время закон сохранения Р-четности считался справедливым при всех физических процессах, то есть для любой взаимодействия. Однако 1956 г. стал годом краха принципа зеркальной симметрии в микромире, точнее годом краха универсальности этого принципа. Американские физики Т. Ли и Ч. Янг объяснили странное поведение K°-мезона, который может распадаться как на два, так и три пионы. Они предположили, что в этом случае нарушается Р-четность. По их мнению, нарушения Р-четности имеет сопровождать не только распад K° -мезонов, но и все другие процессы, обусловленные слабым взаимодействием. Для проверки этой гипотезы они предложили эксперимент, осуществленный в Колумбийском университете (1957 г.) группой физиков под руководством Ц. Ву. Они исследовали β^--распад нукліду ⁶⁰₂₇Со. Для того чтобы не нарушалась ориентация ядер кобальта тепловым движением атомов, его охлаждали жидким гелием до температуры 0,06 К. Так, «замороженный» образец помещался в магнитное поле, а над и под ним устанавливалась система счетчиков. При этом оказалось, что при относительно малом времени наблюдения (до 30 мин.) существует асимметрия в вылете электронов: β^--частицы, излучаемую ориентированными ядрами кобальта, вылетают преимущественно против направления магнитного поля. Повторив опыт при противоположном направлении поля, направление преимущественного вылета электронов также менялся на обратный. Выявленное в опытах Ц. Ву преимущественное излучение β^--частиц в одном направлении свидетельствует о нарушении зеркальной симметрии.

Экспериментально было убедительно доказано, что гипотеза Т. Ли и Ч. Янга справедлива. Следовательно, во всех процессах, обусловленных слабым взаимодействием, Р-четность не сохраняется*.

Развивая идеи Т. Ли и Ч. Янга, американские физики Г. Фейнман и М. Гелл-Манн высказали гипотезу о универсальность слабого взаимодействия (1958 г.). Они обратили внимание на то, что распады разнообразных элементарных частиц и β-распад ядер характеризуются одними и теми же закономерностями. Во всех этих процессах не сохраняется пространственная четность. Г. Фейнман и М. Гелл-Манн выделили то общее, что присуще всем частицам, которые участвуют в слабой взаимодействия. Им оказался спин частиц.

Много выводов из гипотезы о универсальность слабого взаимодействия было подтверждено экспериментально в начале 60-х годов XX ст. Оставалось экспериментально обнаружить слабое взаимодействие ядерных частиц. Учитывая малость константы слабого взаимодействия сравнению с константой сильного взаимодействия (отличие в 10¹⁴ раз), нужно было обнаружить действие слабого взаимодействия нуклонов на фоне существенно более интенсивной сильной взаимодействия. Это удалось сделать вследствие свойства слабого взаимодействия не хранить пространственную четность. Слабое взаимодействие, которую ранее связывали с медленными розпадами элементарных частиц и с процессами, которые происходят за участием нейтрино, существует также и между ядерными частицами - протонами и нейтронами.

Следовательно, изучая слабое взаимодействие элементарных частиц, физики вынуждены были отказаться сначала от универсальности принципа зеркальной симметрии в природе, изъяв из сферы его применение слабое взаимодействие элементарных частиц. Затем установили универсальность слабого взаимодействия, доказав, что она присуща большому количеству элементарных частиц, в том числе протонам и нейтронам.

После открытия нарушения принципа зеркальной симметрии Т. Ли и Ч. Янг сформулировали принцип так называемой зарядово-зеркальной симметрии. Большое значение в формировании понятий, связанных с новым принципу, имеют научные труды Л. Д. Ландау.

Следовательно, наряду с понятием Р-четности было введено понятие зарядовой четности, которое обозначается буквой С (от англ. charge - заряд) и которое характеризует свойства симметрии микрообъектов относительно замены знака всех зарядов, то есть до зарядовое сопряжение.

Новый принцип зарядово-зеркальной симметрии заключается в том, что если рядом с инверсией координат (зеркальным отражением) осуществить одновременно зарядовое сопряжение (заменить частицы на античастинки), то преобразованный процесс (или мікрооб'єкт) полностью эквивалентен реально существующем. Итак, два вместе взятые преобразования инверсии координат и замена знаков зарядов - не меняют свойств микрообъектов. В этом случае говорят, что сохраняется CP-четность. Каждая из парностей отдельно может не сохраняться, а их произведение сохраняется. Л. Д. Ландау назвал эту комбинацию «комбинированной четностью».

Новая симметрия приобрела общего признание, тем более, что эксперименты подтвердили ее справедливость. Так продолжалось до тех пор, пока в 1964 г. Дж. Кронин и В. Фитч в США экспериментально обнаружили несохранения CP-четности в одном из распадов нейтральных К°-мезонов**. Следует отметить, что K-мезонам очень «повезло» в выявлении нарушения принципов симметрии. Действительно, исходя из анализа распадов K°-мезонов, Т. Ли и Ч. Янг сформулировали свою гипотезу о несохранение Р-четности в слабом взаимодействии.

Свойство симметрии, что соответствует операции возвратности течения времени, то есть замене знака времени (t -> -t), называют инвариантностью относительно изменения направления течения времени, или T-инвариантностью.

Долгое время физики были уверены в симметрии мікропроцесів относительно возвратности течения времени, то есть что Т-инвариантность существует во всех процессах микромира. Это означает: если возможен какой-нибудь процесс, то возможен и обратный процесс, который получают из начальной изменением направления течения времени.

Теперь введем комбинацию всех трех операций: С (зарядовое сопряжение), Г (инверсии координат) и Т (возвратности течения времени). Такую операцию обозначим произведение всех трех преобразований СРТ. В квантовой теории поля доказывается, что в любых взаимодействиях является симметрия относительно операции СРТ. Это так называемая СРТ-теорема.

Опыт показывает, что сильное взаимодействие с большой точностью отдельно С-, Г - и Т-инвариантная. Электромагнитное взаимодействие Г-инвариантная, но возможно заметное нарушение С - и Т-инвариантности. Наконец, слабое взаимодействие полностью нарушает С-, Г - и, возможно, Т-инвариантность.

______________________________________________________________

*Фундаментальные 3а работы по проблемам симметрии, которые привели к важным открытиям в физике элементарных частиц, Т. Ли и Ч. Янгу была присуждена Нобелевская премия (1957 г.).

**3а открытия нарушение СР-четности Дж. Кроніну и В. Фітчу была присуждена Нобелевскую премию (1980 г.).