Странные частицы

K -мезоны и гипероны (Λ, Ξ) были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х годов. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что они были названы странными. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10^-23 с, а времена жизни их оказались порядка 10^-8—10^-10 с. Последнее обстоятельство указывало на то, что распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий. Было совершенно не понятно, почему странные частицы живут так долго, что мешает им распадаться за счет сильного взаимодействия, в результате которого они возникают. Действительно, один из процессов рождения странных частиц имеет, например, вид:

π^-+ р → К ⁰+ Λ°, (13.5)

а распад Λ°-гиперона идет по схеме:

Λ°→ π^-+ р. (13.6)

Поскольку и в рождении, и в распаде Λ°-гиперона участвуют одни и те же частицы (π^--мезон и протон), представлялось удивительным, что скорость (т. е. вероятность) обоих процессов столь различна.

Дальнейшие исследования показали, что странные частицы всегда рождаются только парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того,
что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине оказывается запрещенным одиночное рождение странных частиц.

В основе запрета каких-либо процессов всегда лежит некоторый закон сохранения. Так, распад свободного протона на нейтрон, позитрон и нейтрино (р→n+ e ⁺ + v) запрещен законом сохранения энергии, а распад на позитрон, нейтрино и антинейтрино (р→ + e⁺ +v+v ₎ законом сохранения барионного (а также и лептонного) заряда.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, Гелл-Манн и Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число S, странность, суммарное значение которого должно сохраняться при сильных взаимодействиях. Странность сохраняется только при сильных взаимодействиях, поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам — барионам и мезонам, причем для нуклонов и π-мезонов S = 0, а для остальных частиц отлична от нуля. Так, для K -мезонов S = +1, а для Λ-гиперонов S = —1. При этом условии процесс (13.5) идет с сохранением странности (суммарная странность как исходных, так и образовавшихся частиц равна нулю), а в ходе процесса (13.6) странность изменяется на единицу. Поэтому процесс (13.6) не может протекать с участием сильных взаимодействий.

Чтобы выяснить смысл квантового числа S, получившего название «странность», обратимся к табл. 13.3, в которой приведены зарядовые мультиплеты с указанием электрического заряда частиц Q (выраженного в единицах е). Крестиками отмечены значения среднего заряда Q. Так, для нуклона (т. е. мультиплета, образованного р и n) Q =+1/2, для антинуклона Q = -1/2, для π-мезона Q = 0 и т. д. Удвоенное значение среднего заряда называют гиперзарядом мультиплета: Y = 2 Q (гиперзаряд был введен вместо среднего заряда для того, чтобы не иметь дела с дробными числами). Из определения следует, что гиперзаряд нуклона равен +1, антинуклона —1 и π-мезона—нулю. Странность S определяется как разность гиперзаряда Y и барионного числа В: S = Y-В. Очевидно, что три квантовых числа Q, Y и S совершенно равноправны — значением одного из них однозначно определяются значения двух других.

Исторически странность возникла следующим образом. Первоначально, когда были открыты не все странные частицы, считалось, что средний заряд Q семейства K -мезонов таков же, как Q семейства π-мезонов (т.е. равен нулю), и что Q каждого из семейств гиперонов таков же, как у нуклонов (т. е. +1/2), а у антигиперонов— таков же, как у антинуклонов (т. е -1/2). Гелл-Манн и Нишиджима пришли к мысли,
что странные частицы могут и не следовать такому порядку. Удвоенное (чтобы иметь дело с целыми числами) смещение «зарядового центра» (отмеченного в табл. 13.3 крестиками) данного зарядового мультиплета от ожидаемого положения (т. е. от 0 для мезонов, +1/2 для гиперонов и -1/2 для антигиперонов) они назвали странностью частиц (в табл. 13.3 смещения зарядовых центров изображены горизонтальными стрелками) и предположили, что странность S сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в слабых. Определенная таким образом S для нестранных частиц (нуклонов, антинуклонов и π-мезонов) оказывается равной нулю. Известным в то время странным частицам Гелл-Манн и Нишиджима приписали отличные от нуля значения S, причем такие, которые с помощью закона сохранения S могли объяснить особенности их рождения и распада. Это позволило установить возможное число частиц в зарядовых мультиплетах и предсказать существование и свойства новых частиц. Tак были предсказаны и -гипероны, а также К °-мезон, которые впоследствии были обнаружены экспериментально.
Электрический заряд частицы Q может быть выражен через проекцию изотопического спина Т_z и гиперзаряд Y (или барионный заряд В и странность S): .

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.

Если 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.

Нарушение 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.