13.7. Несохранение четности в слабых взаимодействиях

В квантовой механике действует закон сохранения четности, согласно которому при всех превращениях, претерпеваемых системой частиц, четность состояния остается неизменной. Система, находящаяся в четном (или нечетном) состоянии, не может перейти в нечетное (соответственно, четное) состояние. Сохранение четности означает инвариантность законов природы по отношению к замене правого левым (и наоборот).

В 1956 г. Ли и Янг высказали предположение, что при слабых взаимодействиях чётность может не сохраняться. В то время были известны два мезона, получившие обозначения τ и θ. Оба мезона были совершенно одинаковы во всех отношениях, кроме одного: τ-мезон распадался на три π-мезона, а θ-мезон — только на два π-мезона. Можно было предположить, что оба мезона представляют собой одну и ту же частицу, которая способна распадаться двумя различными способами. Однако такое предположение вступало в противоречие с законом сохранения четности. Четность π-мезона Р = —1. Поэтому четность системы из двух π-мезонов равна (—1)²= +1, а системы из трех π-мезонов (—1)³ = —1. Из закона сохранения четности вытекало, что τ- и θ-мезоны различаются внутренней четностью (у τ-мезона, распадающегося на три π-мезона, Р = —1, а у θ-мезона, распадающегося на два π-мезона, Р= +1) и, следовательно, представляют собой две различные частицы.

В настоящее время достоверно установлено, что τ- и θ-мезоны — одна и та же частица, обозначаемая теперь как К-мезон и имеющая Р = —1. Таким образом, процесс —> π⁺+ π^- идет с нарушением четности.

После того как выяснилось, что пространственная четность (Р) в слабых взаимодействиях не сохраняется, Л. Д. Ландау выдвинул гипотезу о том, что любые взаимодействия инвариантны относительно сложного преобразования, заключающегося в одновременной инверсии пространства и замене частиц античастицами. Такое преобразование Ландау назвал комбинированной инверсией. Согласно этой гипотезе симметрия между правым и левым сохраняется, если при зеркальном отражении пространства частицы заменить античастицами.

Е сли операцию пространственной инверсии обозначить символом Р, а операцию зарядового сопряжения (т. е. замены частиц античастицами)—символом С, то символом комбинированной инверсии будет СР. по- этому инвариантность относительно комбинированной инверсии называют СР-и н в а р и а н т н о с т ь ю. Четность состояния частицы относительно комбинированной инверсии называют комбинированной четностью.

Таким образом, два существовавших ранее раздельно закона— закон инвариантности относительно зарядового сопряжения и закон сохранения пространственной четности — в случае слабых взаимодействий объединяются в один закон сохранения комбинированной четности.

Комбинированная четность будет сохраняться, если приписать частице и античастице противоположные закрученности, или спиральности (при отражении в зеркале правый винт становится левым). Под спиральностью понимается определенное соотношение между направлениями импульса р и спина s частицы. Спиральность считается положительной, если спин, и импульс имеют одинаковое направление. В этом случае направление движения частицы (p) и направление «вращения», соответствующего спину, образуют правый винт (рис. 13.4,а). При противоположно направленных спине и импульсе (рис. 13.4,6) спиральность будет отрицательной (поступательное движение и «вращение» образуют левый винт. Спиральность можно определить как знак скалярного произведения sp.

Спиральность может иметь абсолютное значение, т. е. быть внутренним свойством, лишь для частицы с нулевой массой покоя (такая частица существует, только двигаясь со скоростью с). Частица c ненулевой массой покоя будет двигаться со скоростью < с. Cпиральность такой частицы в системах отсчета, движущихся со скоростями, меньшими , и со скоростями, большими (но меньшими с), будет различна (импульс частицы в таких системах отсчета имеет противоположные направления). Итак, из всех частиц спиральностью, как внутренним свойством, может обладать только нейтрино. Согласно развитой Ландау теории продольного нейтрино все существующие в природе нейтрино, независимо от способа их возникновения, всегда бывают полностью продольно поляризованы (т. е. спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу р). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность (ему соответствует соотношение направлений s и р, изображенное на рис13.4,6), антинейтрино — положительную (правую) спиральность (рис. 13.4, а). Таким образом, спиральность — это то, что отличает нейтрино от антинейтрино.

Н арушение четности (спиральности нейтрино) обнаруживается также в цепочке превращений π→μ→е. В конце своего пробега π⁺-мезон распадается на мюон и нейтрино: π⁺→μ⁺ +v.

Так как спин и импульс (в конце пробега) π⁺-мезона равны нулю, мюон и нейтрино должны разлететься в противоположные стороны, причем нейтрино «навяжет» мюону свою спиральность (рис.13.5), иначе спин системы не останется равным нулю. Мюон в конце своего пробега распадается по схеме: μ⁺ →е⁺ + v + v.