Порушення принципу дзеркальної симетрії. Незбереження комбінованої парності

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.9. Порушення принципу дзеркальної симетрії. Незбереження комбінованої парності

Загальновідомо, яке велике значення має поняття про симетрію простору в неперервних просторово-часових перетвореннях. Вимога одновимірності простору приводить до збереження імпульсу, тоді як із ізотропності простору випливає збереження моменту імпульсу. Однорідність часу проявляється в законі збереження енергії.

Розглянемо інші симетрії

природи, пов’язані з можливістю заміни правого на ліве, частинки на античастинку і зворотність плинності часу. Кожну із цих трьох симетрій можна вважати точною відносно сильної і електромагнітної взаємодій частинок, але вони порушуються для слабкої взаємодії.

Ще в далекому минулому вважали, що природа абсолютно симетрична, що фізичні процеси не зміняться від того, якщо замінити праве на ліве, частинку на античастинку або навіть звичний плин часу на зворотний. У 1956 р. уперше було висловлено припущення,

а згодом підтверджено експериментально, що дзеркально відображений світ за фізичними властивостями відмінний від реального.

Спроби пояснити деякі загадкові факти в розпадах каонів на два і три піони привели до істинно революційного припущення про те, що природа здатна відрізняти праве від лівого в процесах слабкої взаємодії. Це можливо лише тоді, коли немає так званої дзеркальної симетрії. Дійсно, дзеркальній симетрії відповідає дзеркальне відображення. Симетрія у цьому разі означає ідентичність лівого і правого. Математично дзеркальне відображення оформляється у вигляді заміни знака в однієї з координат (х -> – х)у якщо дзеркало збігається з площиною уг. Більш загальне математичне перетворення, що грунтується на заміні знаків у всіх координат ( Порушення принципу дзеркальної симетрії. Незбереження комбінованої парності -> – Порушення принципу дзеркальної симетрії. Незбереження комбінованої парності), складається із дзеркального відображення з подальшим поворотом на 180° навколо осі, перпендикулярної до площини дзеркала. Таке перетворення називають інверсією координат.

Дзеркальна симетрія пов’язана з поняттям просторової парності (скорочено Р-парності, від англ. parity – парність).

У квантовій механіці стани об’єктів (мікрочастинок або систем об’єктів) характеризуються хвильовими функціями, а багато фізичних характеристик систем квантуються, тобто визначаються квантовими числами. Просторова парність є квантовим числом, яке набуває всього двох значень: +1 і -1; Р-парність дорівнює +1, якщо хвильова функція квантової системи не змінює знак при інверсії координат, і дорівнює -1, якщо хвильова функція змінює знак. Закон збереження просторової парності полягає в тому, що квантово-механічна система може перебувати лише в станах з певною Р-парністю: або Р = +1 (парний стан), або Р = -1 (непарний стан). Парність стану не змінюється з часом. Збереження Р-парності відображає симетрію фізичних явищ відносно інверсії координат. Вперше закон збереження Р-парності (1924 р.) сформулював німецький фізик О. Лапорт стосовно процесів випромінювання світла атомами. Вчений встановив, що енергетичні рівні атома розбиваються на два класи – парні й непарні, а також, що випромінювання або поглинання фотона супроводжується переходом з рівня з певною парністю на рівень з протилежною парністю. При цьому фотон наділяється від’ємною парністю Р = -1. Отже, Р-парність складної системи дорівнює добутку Р-парностей складових частин.

Тривалий час закон збереження Р-парності вважався справедливим при всіх фізичних процесах, тобто для будь-якої взаємодії. Проте 1956 р. став роком краху принципу дзеркальної симетрії в мікросвіті, точніше роком краху універсальності цього принципу. Американські фізики Т. Лі і Ч. Янг пояснили дивну поведінку K°-мезона, який може розпадатись як на два, так і на три піони. Вони припустили, що в цьому разі порушується Р-парність. На їхню думку, порушення Р-парності має супроводжувати не лише розпад K° – мезонів, а й усі інші процеси, зумовлені слабкою взаємодією. Для перевірки цієї гіпотези вони запропонували експеримент, здійснений в Колумбійському університеті (1957 р.) групою фізиків під керівництвом Ц. Ву. Вони досліджували β–розпад нукліду 6027Со. Для того щоб не порушувалась орієнтація ядер кобальту тепловим рухом атомів, його охолоджували рідким гелієм до температури 0,06 К. Так, “заморожений” зразок поміщався в магнітне поле, а над і під ним встановлювалась система лічильників. При цьому виявилось, що при відносно малому часі спостереження (до 30 хв.) існує асиметрія у вильоті електронів: β–частинки, випромінені орієнтованими ядрами кобальту, вилітають переважно проти напряму магнітного поля. Повторивши дослід при протилежному напрямі поля, напрям переважного вильоту електронів також змінювався на зворотний. Виявлене в дослідах Ц. Ву переважне випромінювання β–частинок в одному напрямі свідчить про порушення дзеркальної симетрії.

Експериментально було переконливо доведено, що гіпотеза Т. Лі і Ч. Янга справедлива. Отже, в усіх процесах, зумовлених слабкою взаємодією, Р-парність не зберігається*.

Розвиваючи ідеї Т. Лі і Ч. Янга, американські фізики Р. Фейнман і М. Гелл-Манн висловили гіпотезу про універсальність слабкої взаємодії (1958 р.). Вони звернули увагу на те, що розпади різноманітних елементарних частинок і β-розпад ядер характеризуються одними і тими самими закономірностями. В усіх цих процесах не зберігається просторова парність. Р. Фейнман і М. Гелл-Манн виділили те спільне, що властиве всім частинкам, які беруть участь у слабкій взаємодії. Ним виявився спін частинок.

Багато висновків із гіпотези про універсальність слабкої взаємодії було підтверджено експериментально на початку 60-х років XX ст. Залишалось експериментально виявити слабку взаємодію ядерних частинок. Ураховуючи малість константи слабкої взаємодії порівняно з константою сильної взаємодії (відмінність у 1014 разів), потрібно було виявити дію слабкої взаємодії нуклонів на фоні істотно більш інтенсивної сильної взаємодії. Це вдалося зробити внаслідок властивості слабкої взаємодії не зберігати просторову парність. Слабка взаємодія, яку раніше пов’язували з повільними розпадами елементарних частинок і з процесами, які відбуваються за участю нейтрино, існує також і між ядерними частинками – протонами і нейтронами.

Отже, вивчаючи слабку взаємодію елементарних частинок, фізики змушені були відмовитися спочатку від універсальності принципу дзеркальної симетрії в природі, вилучивши зі сфери його застосування слабку взаємодію елементарних частинок. Потім установили універсальність слабкої взаємодії, довівши, що вона властива великій кількості елементарних частинок, у тому числі протонам і нейтронам.

Після відкриття порушення принципу дзеркальної симетрії Т. Лі і Ч. Янг сформулювали принцип так званої зарядово-дзеркальної симетрії. Велике значення у формуванні понять, пов’язаних з новим принципом, мають наукові праці Л. Д. Ландау.

Отже, поряд з поняттям Р-парності було введено поняття зарядової парності, яке позначається літерою С (від англ. charge – заряд) і яке характеризує властивості симетрії мікрооб’єктів щодо заміни знака всіх зарядів, тобто до зарядового спряження.

Новий принцип зарядово-дзеркальної симетрії полягає в тому, що якщо поряд з інверсією координат (дзеркальним відображенням) здійснити одночасно зарядове спряження (замінити частинки на античастинки), то перетворений процес (або мікрооб’єкт) повністю еквівалентний реально існуючому. Отже, два разом взяті перетворення – інверсія координат і заміна знаків зарядів – не змінюють властивостей мікрооб’єктів. У цьому разі кажуть, що зберігається CP-парність. Кожна з парностей окремо може не зберігатися, а їхній добуток зберігається. Л. Д. Ландау назвав цю комбінацію “комбінованою парністю”.

Нова симетрія набула загального визнання, тим більше, що експерименти підтвердили її справедливість. Так продовжувалось доти, доки 1964 р. Дж. Кронін і В. Фітч в США експериментально виявили незбереження CP-парності в одному із розпадів нейтральних К°-мезонів**. Слід зазначити, що K-мезонам дуже “пощастило” у виявленні порушення принципів симетрії. Дійсно, виходячи з аналізу розпадів K°-мезонів, Т. Лі і Ч. Янг сформулювали свою гіпотезу про незбереження Р-парності в слабкій взаємодії.

Властивість симетрії, що відповідає операції зворотності плину часу, тобто заміні знака часу (t -> – t), називають інваріантністю відносно зміни напряму плину часу, або T-інваріантністю.

Тривалий час фізики були впевнені в симетрії мікропроцесів відносно зворотності плину часу, тобто що Т-інваріантність існує в усіх процесах мікросвіту. Це означає: якщо можливий який-небудь процес, то можливий і зворотний процес, який отримують із початковою зміною напряму плину часу.

Тепер введемо комбінацію всіх трьох операцій: С (зарядового спряження), Р (інверсії координат) і Т (зворотності плину часу). Таку операцію позначимо добутком усіх трьох перетворень СРТ. У квантовій теорії поля доводиться, що в будь-яких взаємодіях є симетрія відносно операції СРТ. Це так звана СРТ-теорема.

Досвід показує, що сильна взаємодія з великою точністю окремо С-, Р – і Т-інваріантна. Електромагнітна взаємодія Р-інваріантна, але можливе помітне порушення С – і Т-інваріантності. Нарешті, слабка взаємодія повністю порушує С-, Р – і, можливо, Т-інваріантність.

______________________________________________________________

*3а фундаментальні роботи з проблем симетрії, які привели до важливих відкриттів у фізиці елементарних частинок, Т. Лі і Ч. Янгу було присуджено Нобелівську премію (1957 р.).

**3а відкриття порушення СР-парності Дж. Кроніну і В. Фітчу було присуджено Нобелівську премію (1980 р.).




Порушення принципу дзеркальної симетрії. Незбереження комбінованої парності