Файл: Богуш А.А. Элементарные частицы.pdf

исключения процессов слабых взаимодей­ ствий.

Напомним, что это фундаментальное откры­ тие принадлежит двум работающим в США китайским физикам Ли и Янгу, получившим за это в 1957 г. Нобелевскую премию. Экспери­ ментально несохранение четности в слабых взаимодействиях было обнаружено профессо­ ром Ву при исследовании направления вылета электронов из ядер радиоактивного кобальта.

Вслед за этим открытием появилась гипо­

риантности, одним из авторов которой являет­ ся академик лауреат Ленинской и Нобелев­ ской премий Лев Давидович Ландау. Суть ее заключается в том, что если наряду с зеркаль­ ным отражением Я провести операцию заря­ дового сопряжения С, т. е. перейти от частиц к античастицам, то никаких нарушений сим­ метрии (в этом более общем смысле слова) наблюдаться не будет. Уверенность в том, что найдена спасительная идея, ободрила физиков. Принцип СЯ-инвариантности стал мощным и

инадежным инструментом при изучении весь­ ма запутанных явлений в мире элементарных частиц. Это дало свои результаты и привело к большому числу замечательных успехов теории

иопыта.

Но вот на Международной конференции в Дубне (август 1964 г.) прозвучало сенсацион­ ное сообщение группы американских физиков о том, что ими получены экспериментальные данные по распаду /(0-мезонов, которые можно

119

интерпретировать как нарушение комбиниро­ ванной четности. Трудно описать то впечатле­ ние, которое это сообщение оказало на участ­ ников конференции. Никто из самых извест­ ных, ведущих физиков мира не решился прокомментировать это событие и дать ему ка­ кое-то объяснение. Все сходились лишь на од­ ном: в физике элементарных частиц назревают новые интересные события.

С того времени прошло более полутора лет. Что же мы имеем сегодня?

Прежде всего первые экспериментальные данные полностью подтвердились. Появилось более десятка различных гипотез, направлен­ ных если не на спасение незыблемости прин­ ципа сохранения комбинированной четности, то хотя бы на разумное объяснение механиз­ ма этого нарушения. Можно восхищаться ост­ роумием, оригинальностью высказанных идей и предложений, но, к сожалению, вместе с тем нужно констатировать, что пока удовлетвори­ тельного, непротиворечивого объяснения не найдено. Оно еще впереди. Правда, одновре­ менно несколько притупились те первоначаль­ ные опасения, что обнаруженное нарушение СЯ-инвариантности в процессе /С°-распада при­ ведет к решительному, коренному перевороту во всей теории элементарных частиц, посколь­ ку более четко определились те области фи­ зики, которые затрагивают это открытие. Ста­ ло ясно, что речь идет о некотором ограничен­ ном круге явлений в физике элементарных частиц.

Весьма серьезной проблемой теории слабых взаимодействий, над решением которой в по­

120

следние годы безуспешно бьются физики круп­ нейших научных центров мира, является воп­ рос о возможном существовании п р о м е ж у-

ствия, подобных фотонам в электромагнитных взаимодействиях и, например, пи-мезонам в сильных взаимодействиях. В Брукхевене и в ЦЕРНе были поставлены грандиозные экспе­ рименты с использованием самых мощных ны­ не действующих в мире ускорителей, много­ тонных мишеней и камер для регистрации на­ блюдений. В итоге этих опытов сделан целый ряд принципиально важных открытий. Как уже упоминалось, обнаружено два типа нейт­ рино — м ю о н н о е и э л е к т р о н н о е , но сам вопрос о существовании векторных мезо­ нов остался открытым. Удалось лишь устано­ вить, что если они существуют, то масса их должна быть по крайней мере больше массы двух нуклонов. Это означает, что для прове­ дения дальнейших опытов такого род'а нужны ускорители еще большей мощности. Опреде­ ленные надежды возлагаются и на экспери­ менты с космическими нейтрино.

Перед теорией слабых взаимодействий мно­ го нерешенных проблем, и поэтому исследова­ ния в этом направлении стоят в центре внима­ ния многих известных экспериментаторов и теоретиков. Среди них ряд ведущих советских физиков, таких, как лауреат Ленинской премии академик Б. М. Понтекорво (крупнейший спе­ циалист по физике нейтрино), академик Я. Б. Зельдович, член-корреспондент АН СССР

А. М. Марков и многие другие.

121

Существует очень тесная связь между силой взаимодействия и длительностью реакции,

обусловленной этим взаимодействием. Чем сильнее взаимодействие, тем скорее, быстротечнее процесс, идущий по его законам.

Опыт показывает, что сильно взаимодейст­ вующие частицы, пролетающие друг относи­ тельно друга со скоростью, близкой к скорости света, успевают прореагировать друг с другом за тот необычайно короткий промежуток вре­ мени, пока они находятся на расстоянии дей­ ствия ядерных сил. Из того, что это расстояние равно 10 13 см, а скорость света равна при­ мерно 1010 см/сек, сразу следует, что время реакции должно быть порядка 10 23 сек. Это время является одним из наиболее существен­ ных признаков сильного взаимодействия.

Силы электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз слабее и для того, чтобы они проявились в той же мере, как и сильные, необходимо время по крайней мере в 100 раз большее. Дело здесь осложняется еще тем, что не все электромагнитные процессы идут одинаково охотно. В результате характерное время электромагнитного взаимодействия ме­

распад 2°-гиперона на Л°-гиперон и фотон, по имеющимся оценкам, должен длиться 10~19 сек.

Еще медленнее протекают процессы слабо­ го взаимодействия. Поскольку оно слабее элек­ тромагнитного в 1012 раз, то характерное для

122

124

симость ядерных сил, естественно, переносится и на их носителей — пи-мезоны, которые неза­ висимо от своего электрического заряда долж­ ны одинаково хорошо связывать между собой два нуклона. Поэтому с точки зрения чистых ядерных сил нейтрон и протон можно рассмат­ ривать как два возможных зарядовых состоя­ ния одной и той же частицы — нуклона, а я+-, я°- и я _-мезоны как три состояния одной ча­ стицы — я-мезона. Иначе говоря, если не учи­ тывать электромагнитных сил, то совершенно безразлично, какую из частиц мы будем счи­ тать протоном, а какую нейтроном и какой знак электрического заряда припишем тому или иному пи-мезону. Это и естественно, по­ скольку величина и знак электрического заря­ да как меры электрического взаимодействия при отсутствии последнего никак не могут про­ являться. Следует иметь в виду, что в действи­ тельности устранить электромагнитные силы мы не можем. Но можно воспользоваться тем, что они во много раз слабее ядерных, и на время пренебречь ими. При этом мы как бы перенесемся в некий воображаемый мир, в ко­ тором электромагнитных сил нет, а имеются лишь только чистые ядерные силы. Подобного рсда идеализация очень часто используется в физике, позволяя на время отвлечься от несу­ щественных для данного случая явлений и свойств реальных объектов.

Первое, что бросится в глаза в нашем во­ ображаемом мире, — это отсутствие элект­ рических зарядов. Поэтому мы не сможем по этой основной характеристике частицы отли­ чить протон от нейтрона. Их неразличимость

125

будет обусловлена еще и тем, что в отсутствие электромагнитных сил массы этих двух частиц окажутся совершенно одинаковыми. Одинако­ выми по массе и совершенно неразличимыми окажутся здесь и три пи-мезона. Однако даже и в этом мире мы должны учитывать, что мо­ жет существовать не одна, а две разновидности нуклона, что возможны именно три состояния пи-мезона, различие между которыми сразу ста­ нет существенным, как только мы перенесемся в наш реальный мир с электромагнетизмом.

Таким образом, невольно возникает необ­ ходимость в дополнительных характеристиках, ярлыках для таких частиц. Нужны по крайней мере две характеристики: одна — для опреде­ ления числа возможных состояний, вторая —• для их нумерации. Вообще говоря, вторая уже есть — это электрический заряд. Хотя в на­ шем воображаемом мире он не проявляется, но ничто не мешает сохранить его как символ, ярлык соответствующего зарядового состоя­ ния. Неясно только, как связать его с числом этих состояний.

Блестящее и привлекательное по своей про­ стоте решение этой задачи дал один из со­

здателей квантовой механики Вернер Гайзенберг. Ему удалось проследить формальную аналогию между зарядовыми состояниями сильно взаимодействующих частиц и обычны­ ми спиновыми состояниями частицы. Благода­ ря этому в распоряжении физиков для описа­ ния зарядовой независимости ядерных сил оказался готовый, хорошо разработанный ма­ тематический аппарат.

126

Гайзе^берг в полной аналогии с тем, как был введен обычный спин, для характеристики зарядовых состояний сильно взаимодействую­ щих частиц вводит новую величину, получив­ шую не совсем удачное название изотопическо­ го спина. Этот термин не имеет ничего общего

сизотопами, только чисто формальное сходство

собычным спином.

Это сходство можно представить себе на­ глядно, если изотопический спин рассматри­ вать как некоторый вектор момента вращения в условном пространстве. Это пространство, так же как и обычное пространство, должно быть трехмерным, и в нем могут быть опреде­ лены три взаимно перпендикулярные оси ко­ ординат: х, у, г. Такое условное пространство

тремя проекциями (компонентами) на коорди­ натные оси в этом пространстве.

Будем теперь считать, что этот вектор под­ чиняется стандартным правилам квантования для обычного момента вращения. Это озна­ чает, что, так же как и в случае обычного спи­ на, величина вектора изотопического спина, которую обозначим символом Т, может прини­ мать только определенные дискретные значе­ ния, а ориентация этого вектора в изотопиче­ ском пространстве допустима лишь в некото­ рых избранных направлениях. Эти направления определяются возможными значениями проек­ ций вектора изотопического спина на ось г, так называемых зетовых компонент изото­ пического спина Т3. Как и в случае обычного

127