Законы сохранения в микромире

Ядерная физика, и особенно физика элементарных частиц, значительно обогатили наши представления о симметрии и ее связи с наблюдаемыми в микромире явлениями. Рассмотрим симметрии природы, связанные с возможностью замены правого на левое, частицы на античастицу и обращения времени. Оказывается, что все три операции — зарядового сопряжения С (замены частиц античастицами), пространственной инверсии Р (замены координат r на -r) и обращения времени Т (замены времени t на - t), взятые вместе, не являются совсем независимыми. Пространственная инверсия эквивалентна операции зеркального отражения относительно одной из координатных плоскостей и повороту на угол π вокруг одной из осей, а так как любое физическое явление инвариантно относительно вращения системы отсчета, то инвариантность физических законов относительно операции Р эквивалентна их зеркальной симметрии, иначе говоря, симметрии «левое- правое». Произведенные последовательно друг за другом, преобразования С, Р и Т обязаны не менять никаких следствий теории, т. е. природа должна быть инвариантна относительно одновременного проведения всех трех операций симметрии. Это утверждение носит название СРТ-теоремы. Из СРТ-теоремы, в частности, следует, что массы и времена жизни частицы и античастицы равны, магнитные моменты различаются только знаком, взаимодействие частицы и античастицы с гравитационным полем одинаково (нет «антигравитации»).

На опыте не обнаружено ни одного случая нарушения СРТ-инвариантности. Так, авенство масс частицы и античастицы в случае К⁰ и К*⁰ справедливо с точностью ∆m/m ~ 10^-18. Экспериментальное отношение g- факторов электрона и позитрона (фактически отношение магнитных моментов) также равно единице с очень высокой точностью

В то же время мы теперь знаем, что в слабых взаимодействиях нарушаются как Р- и С-инвариантности, так и СР-инвариантность (комбинированная инверсия). Несохранение четности было обнаружено в 1957 г. в β-распаде ⁶⁰Со. Наиболее прямое нарушение зарядовой инвариантности проявилось при исследовании продольно поляризованных мюонов при распаде пионов на мюон и нейтрино. В. Фитчем(1923) и Дж. Крониным(1931) были обнаружены СР- нечетные процессы (нарушение Т-инвариантности): они наблюдали распад долгоживущих нейтральных каонов на два пиона.

Однако не все симметрии природы оказывается возможным легко выявить и наглядно объяснить, поскольку они не обязательно должны быть связаны со свойствами обычного пространства-времени. Осознание этого факта привело в последние десятилетия к открытию нового класса так называемых внутренних симметрии, возникающих за счет свободы преобразований тех или иных групп частиц в особых «внутренних пространствах». Симметрийный подход в физике элементарных частиц явился ключом к их классификации и основой теоретического описания их взаимодействий. Каждая

элементарная частица описывается набором дискретных значений определенных физических величин — своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель — единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах элементарных частиц и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса m,

время жизни T_1/2, спин J и электрический заряд Q. Помимо указанных величин элементарные частицы дополнительно характеризуются еще рядом квантовых чисел, которые называются «внутренними». Лептоны несут специфические лептонные заряды L_e, L_μ и L_τ (электронный, мюонный и таонный), равные +1 для частиц и -1 для антилептонов. Для адронов все лептонные заряды равны 0, а значительной их части — барионам —следует приписать особый барионный заряд В (|В| = 1). Для мезонов и лептонов В = 0, для фотонов и В = 0 и L = 0. Важной характеристикой элементарных частиц является также внутренняя четность Р = ± 1. Она определяет поведение волновой функции частицы в системе отсчета, связанной с частицей, при инверсии координат, т. е. замены r на -r.

Введение различных зарядов у элементарных частиц позволяет простейшим образом интерпретировать установленные на опыте законы сохранения числа соответствующих частиц. Прежде всего это закон сохранения электрического заряда — прототип величины, удовлетворяющий аддитивному закону сохранения. Он гласит: полный электрический заряд в любой реакции строго сохраняется, т. е. электрический заряд вступающих в реакцию частиц должен быть равен электрическому заряду получающихся частиц. В силу

того, что электрический заряд — квантованная величина (он наблюдается в природе только в виде кратных элементарного заряда е), электрический заряд любой субатомной частицы Q всегда равен целому кратному е:

Q = Ne. (12.10)

Число N называется электрическим зарядовым числом частицы или просто электрическим зарядом. Поэтому закон сохранения электрического заряда может быть записан в следующем виде: в любой реакции

а + b + ... -> c + d+ ... (12.11)

сумма электрических зарядовых чисел должна оставаться постоянной:

N_a + N_b + ... = N_c + N_d + ... (12.12)

Сохранение одного только электрического заряда не определяет возможность распада частиц. Например, протон мог бы распасться на позитрон и γ-квант без нарушения и закона сохранения электрического заряда, и энергии, и момента количества движения, но этого не происходит. Поэтому было сделано предположение, что всегда должно сохраняться полное число барионов. Этот закон сохранения выполняется естественным образом, если приписать барионам заряд так, чтобы барионное число В для частиц-барионов равнялось 1, для античастиц -1, у лептонов и мезонов В = 0. Закон сохранения барионного заряда можно тогда записать в виде, полностью аналогичном закону сохранения электрического заряда:

∑В_i = const. (12.13)

Рассмотрим вопрос о том, что означает закон сохранения барионного заряда по мере уменьшения энергии взаимодействующих частиц. В нерелятивистской ядерной физике в силу малости энергии, передаваемой при взаимодействии, не может происходить ни рождения нуклон-антинуклонных пар, ни превращения нуклонов в более тяжелые частицы. Поэтому закон сохранения барионного заряда становится фактически законом сохранения числа нуклонов, т. е. массового числа А. Если же идти еще дальше в область

низких энергий, то мы переходим в область, где не происходит никаких ядерных

превращений, а значит, не меняются ядерные дефекты массы. Это область атомной физики, физики агрегатных состояний и химических реакций. Так как за счет химических энергий связи изменения масс ничтожны, то закон сохранения барионного числа переходит в закон сохранения массы.

По мере накопления экспериментальных данных и их систематизации проявлялись все новые закономерности реакций между элементарными частицами и типами их распадов. Так был постулирован закон сохранения лептонного заряда L, а затем странности S, очарования С, красоты b, правды t. Все эти новые квантовые числа понадобились для того, чтобы различать соответственно семейства «странных», «очарованных», «красивых» и «правдивых» адронов: для всех странных адронов (К-мезоны, Λ⁰ -, Σ^--, Ξ^--,

Ω-барионы) S ≠ 0, для очарованных (D°, D⁺, F⁺, Λ⁺_e) — С ≠0 и т. д.

Подобно барионному числу, S, С, b, t являются аддитивными квантовыми числами, т. е. их суммарное значение по всем адронам сохраняется, но, в отличие от B, только в процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями. Мы опять сталкиваемся с «нарушенной» симметрией слабых взаимодействий.

Таким образом, роль законов сохранения зарядов сводится к запрещению процессов с изменением хотя бы одного из суммарных зарядов. Рассмотренные нами законы сохранения дают возможность разобраться в классификации частиц и в установлении разрешенных и запрещенных реакций и распадов.