§ 80. Несохранение четности в слабых взаимодействиях

В числе величин, характеризующих микрочастицы, есть сугубо квантомеханическая величина, называемая четностью (Р). Мы знаем, что состояние частицы описывается в квантовой механике функцией . Рассмотрим, как может вести себя функция при так называемой инверсии пространства, т. е. при переходе к координатам х, у, z, связанным с х, у, z соотношениями

Из рис. 80.1 видно, что такое преобразование означает переход от правовинтовой системы координат к левовинтовой.

Такой же переход осуществляется при отражении в зеркале (рис. 80.2). Следовательно, преобразование инверсии приводит к замене правого левым. Обе системы отсчета отличаются друг от друга так, как отличаются правая и левая перчатки. Если вывернуть наизнанку (т. е. подвергнуть инверсии), например, правую перчатку, то она совпадет с левой.

Рис. 80.1.

Рис. 80.2.

Операция инверсии, произведенная дважды, очевидно, возвращает систему координат к первоначальному виду. Пусть операция инверсии приводит к умножению функции на некоторое число а:

Применив к получившемуся выражению еще раз операцию инверсии, мы придем к функции

которая должна совпасть с первоначальной функцией Следовательно, должно быть равно 1, а само а может иметь значения +1 или —1.

Из сказанного вытекает, что операция инверсии либо оставляет функцию неизменной, либо изменяет знак на обратный. В первом случае состояние, описываемое функцией называется четным, во втором — нечетным. Поведение функции при инверсии зависит от внутренних свойств частиц, описываемых этой функцией. О частицах, описываемых четными функциями, говорят, что они обладают положительной внутренней четностью частицы, описываемые нечетными функциями, имеют отрицательную внутреннюю четность (). Четность системы частиц равна произведению четностей отдельных частиц, входящих в систему.

Из зеркальной симметрии пустого пространства вытекает закон сохранения четности, согласно которому при всех превращениях, претерпеваемых системой частиц, четность состояния остается неизменной.

Сохранение четности означает инвариантность законов природы по отношению к замене правого левым (и наоборот).

До 1956 г. не возникало сомнений в том, что этот закон соблюдается при всех взаимодействиях. В 1956 г. Ц. Ли и Ч. Янг предположили, что при слабых взаимодействиях четность может не сохраняться. Для этого были следующие основания. В то время были известны два меаона, получившие обозначения 1 и 0. Они были одинаковы во всех отношениях, кроме одного: -мезон распадался на три -мезона, а -мезон — только на два. Можно было, конечно, 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 -мезона Поэтому четность системы из двух -мезонов равца а системы из трех -мезонов Из закона сохранения четности вытекало, что -мезоны различаются внутренней четностью (у -мезона, распадающегося на три -мезона, а у -мезона, распадающегося на два -мезона, ) и, следовательно, представляют собой две различные частицы.

Со временем было достоверно установлено, что и -мезоны — одна и та же частица, называемая теперь -мезоном и имеющая . Следовательно, процесс

идет с нарушением четности.

Ли и предложили идею опыта для проверки несохранения четности, который был осуществлен в Колумбийском университете (США) By Цзянь-сун и ее сотрудниками. Идея опыта заключалась в следующем. Если правое и левое в природе неразличимы, то при (-распаде вылет электрона в направлении спина ядра и в направлении, ему противоположном, должен быть равновероятен. Действительно, при зеркальном отражении ядра направление его «вращения», т. е. направление спина, изменяется на противоположное (рис. 80.3). Если ядро испускает -электроны с равной вероятностью в обоих направлениях (рис. 80.3, а), то зеркальное отражение системы ядро — электроны будет неотличимо от самой системы (они лишь повернуты друг относительно друга на 180°). Если же -электроны испускаются преимущественно в одном направлении (рис. 80.3,б), то «левое» и «правое» становятся различимыми.

Рис. 80.3.

В опыте By ядра радиоактивного кобальта ориентировались с помощью магнитного поля спинами в одном направлении. Для того чтобы тепловое движение не препятствовало такой ориентации, радиоактивный препарат охлаждался до сверхнизких температур . Была обнаружена значительная разница в количествах электронов, испускаемых в обоих направлениях. Оказалось, что -электроны испускаются преимущественно в направлении, противоположном направлению ядерных спинов. Таким образом, была доказана экспериментально неравноправность правого и левого при слабых взаимодействиях (напомним, что -распад обусловлен слабым взаимодействием).

После того как выяснилось, что пространственная четность в слабых взаимодействиях не сохраняется, Л. Д. Ландау и независимо от него Ли и Янг выдвинули гипотезу о том, что любые взаимодействия инвариантны относительно сложного преобразования, заключающегося в одновременной инверсии пространства и замене частиц античастицами. Такое преобразование было названо комбинированной инверсией. Согласно этой гипотезе симметрия между правым и левым сохраняется, если при зеркальном отражении пространства частицы заменить античастицами. Действительно, если на рис. 80.3, б зеркально отраженное ядро заменить антиядром, то направление спина изменится на противоположное и зеркальное отражение системы не будет отличаться от самой системы.

Обозначим операцию пространственной инверсии символом Р, а операцию зарядового сопряжения (т. е. замены частиц античастицами) — символом С. Тогда символом комбинированной инверсии будет СР. Поэтому инвариантность относительно комбинированной инверсии называют СР - инвариантностью. 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.

В ряде процессов, в которых нарушается пространственная четность, действительно имеет место сохранение комбинированиой четности. Однако в 1964 г. при изучении распадов -мезонов были получены данные, свидетельствующие о нарушении при этих распадах закона сохранения комбинированной четности.

Вдаваться в подробности по этому поводу мы не имеем возможности.