12. РАСПАДЫ СТРАННЫХ ЧАСТИЦ

Рассмотрим теперь данные по слабым распадам этих частиц. Экспериментальные данные о массах и свойствах распадов всех частиц приведены в таблице 12-1.

Мы интересуемся сейчас только распадами гиперонов и мезонов. Два из известных распадов, очевидно, являются следствием электромагнитного взаимодействия (действующего совместно с сильной связью через виртуальные состояния). Это и . Совокупность требований сохранения электрического заряда и сохранения странности в электромагнитных взаимодействиях разрешает только эти распады.

Таблица 12-1

Все остальные распады имеют близкие, по порядку величины, времена жизни. Считается, что все они являются следствием связи фермиевского типа (действующей, как обычно, совместно с сильными взаимодействиями через виртуальные состояния). Эта гипотеза соответствует некоторым общим свойствам распадов, включая порядок времени жизни. Разумеется, рождение лептонов является важным аргументом. Но даже в случаях отсутствия лептонов несохранение четности (т. е. асимметрия относительно пространственного отражения) свидетельствует в пользу связи типа Ферми.

Способность одной и той же -частицы распадаться как на два, так и на три пиона (с полным моментом, равным нулю) была первым толчком для предположения о том, что четность может не сохраняться в физических процессах. Асимметрия, свидетельствующая об отсутствии симметрии отражения, недавно была обнаружена в угловых распределениях продуктов распада на . Мы уже выписывали три фермиевские связи (6-4), (6-5) и (6-6), но в каждом из этих случаев странность сохраняется, при условии, что странность лептонов равна 0. Исходя из этих трех связей, мы можем надеяться объяснить лишь те распады, в которых , где — полная странность. Это как раз распады нейтрона и пиона , которые, как уже упоминалось, можно считать косвенным следствием связи (6-6).

Рис. 12-1.

В остальных распадах происходит изменение странности на одну единицу: . Ответственные за них фундаментальные взаимодействия еще не установлены окончательно, хотя довольно ясно, что они входят в класс фермиевских. Задача их полного определения является интересной, и мы рассмотрим ее довольно подробно.

Схемы фермиевских связей.

Установим прежде всего минимально необходимое число новых связей. Прежде всего наличие распада, подобного приводит к тому, что -napa должна быть связана с парой, меняющей странность. Это не обязательно должна быть сама пара , поскольку сильные связи будут приводить к упомянутому распаду, если любая другая пара типа связана с . В данном случае (см. рис. 12-1) -мезон сможет виртуально перейти в и распасться на , а и аннигилировать в . Возьмем, например, ферми-связь

аналогичную (6-4). Поскольку мионы также испускаются в распадах с (например, или ), то мы должны допустить еще взаимодействие

Наконец, существуют распады, совсем не содержащие нейтрино. Они могли бы происходить от фермиевской связи типа

или ей эквивалентной, через сильные взаимодействия. Так, например, распад мог бы идти через виртуальный процесс (см. рис. 12-2)

плюс более сложные последовательности. На основе этих трех связей все известные распады могут получить качественное объяснение.

Рис. 12-2.

Введение шести независимых фермиевских взаимодействий могло бы показаться излишне сложным, однако одновременное появление трех новых оказывается естественным следствием всего лишь одного предположения. Оно заключается в том, что связи Ферми по своей природе являются взаимодействием некоторого тока J с самим собой,

и задача сводится к определению структуры , являющегося суммой нескольких слагаемых. Описанные выше связи (6-4), (6-5) и (6-6) возникнут, если положить

Определенные на опыте, коэффициенты у первых трех членов оказываются равными. Все три новые связи получатся, если мы добавим к всего лишь один член X, меняющий странность. Выше мы уже рассуждали о том, каков может быть X.

Теперь мы рассмотрим более серьезно, какими свойствами должен обладать член .

Прямое следствие новой идеи состоит в том, что коэффициенты связей X с каждым из трех токов и равны друг другу. Иными словами, связи (12-1), (12-2) и (12-3) должны иметь одинаковую интенсивность [которая, однако, не должна совпадать с интенсивностями (6-4), (6-5) и (6-6)].

Если коэффициенты связи и с X равны, то можно показать вычислением, что число -распадов -мезона должно быть равно числу -распадов. Это предсказание подтверждается экспериментально с точностью до . Тот факт, что распад пока не наблюдался, также совместен с отсутствием спина у , так как при этом скорость распада должна быть гораздо меньше, чем для .

Можем ли мы проверить предсказание о том, что связи и с X равны? К сожалению, из-за нашей неспособности анализировать сильные взаимодействия, такая возможность пока неизвестна.

Предлагаемые правила симметрии для распадов, меняющих странность.

Что же можно сказать о токе X? Попробуем сейчас сформулировать гипотезу настолько сильную, насколько это возможно. Этим путем мы получим максимум предсказаний, хотя некоторые из них могут в будущем оказаться неверными. Заметим прежде всего, что существование распада приводит к тому, что при уменьшении странности испускаются позитроны. Поэтому X должен содержать хотя бы один член вида , состоящий из пары частиц с полной странностью , во всяком случае, с отрицательным зарядом). Может ли в X присутствовать член со странностью , подобный ? Этому нет свидетельств, и потому мы предположим:

1. X содержит только члены со странностью . Отсюда следует, что распад с запрещен. Поэтому не может распадаться на , как это и следует из наблюдений.

Далее, хотя может распадаться равновероятно на и на , только первый распад разрешен для и только второй для .

Поэтому, если редкие лептонные распады пучка -мезонов наблюдать близко к источнику (там, где еще не распались), то заряженные лептоны ( или ) должны быть преимущественно положительными. Соответствующие эксперименты еще не были поставлены.

Далее, тогда как входящая в X пара имеет изоспин , другие вклады, такие как , могли бы содержать изоспин . Если бы этот вклад полностью соответствовал состоянию с изоспином , то в лептонных распадах существовало бы правило . Но тогда распад мезона с изотопическим спином был бы невозможен (поскольку для него ). Таким образом, X должен содержать по меньшей мере какую-то часть с изоспином . Мы предположим теперь, что X целиком состоит из членов с изотопическим спином (так что, если и появляется, то непременно в комбинации — ).

Итак, формулируем правило:

2. В лептонных распадах изоспин может меняться только на . Мы можем проверить это правило, сравнивая распад

с распадом

Из правила следует, что если перенести оба К в правые части, то пары и должны входить в амплитуду в пропорциях, соответствующих комбинации — , обладающей изоспином аналогичной выражению (8-2)]. Таким образом, амплитуда второй реакции (12-7) в раза отличается от амплитуды процесса (12-6), и скорость распада должна быть в два раза больше, чем у . Распад -мезона

является «антиреакцией» по отношению к (12-7) и должен идти с той же скоростью, что и (12-7) [т. е. в два раза быстрее (12-6)]. Частица , амплитуда которой содержит и , будет поэтому распадаться на , как и , со скоростью распада (12-8).

Соответствующие рассуждения применимы к распадам, в которых мюон стоит вместо "электрона. Все подобные предсказания подтверждены экспериментом.