ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 98
Скачиваний: 0
тируются определенным образом относитель но направления поля. В ранее изотропном про странстве. появляется физически выделенное направление, направление магнитного поля, ко торое естественно выбрать в качестве направ ления оси г, на которой откладываются проек ции момента.
Выделение определенного направления в изотопическом пространстве, как и в обычном, приводит к тому, что изотропность простран ства нарушается. Вместо сферической симмет рии, когда все без исключения направления равноправны, появляется более низкая, акси альная симметрия. При этой симметрии рав ноправными оказываются лишь направления, перпендикулярные осп симметрии, т. е. выде ленному в пространстве направлению. Теперь уже описание физической картины не нару шится лишь в том случае, если мы будем по ворачивать координатные оси не произвольно, а только вокруг оси симметрии. Для обычного трехмерного пространства это, естественно, должно отразиться на формулировке закона сохранения момента вращения. Если при сфе рической симметрии были равноправны орби ты с любой ориентацией и это вело к сохра нению как величины, так и направления мо мента, то при аксиальной симметрии равно правны лишь орбиты, перпендикулярные оси симметрии, и будут сохраняться лишь момен ты, направленные вдоль этой оси. В общем случае произвольно направленного момента мы всегда можем разложить его на две со ставляющие: одну из них направить вдоль оси симметрии, а другую — перпендикулярно ей.
136
Очевидно, что при аксиальной симметрии бу дет сохраняться лишь та составляющая, кото рая направлена вдоль оси симметрии. Посколь ку в этом же направлении ориентируется и ось г, то сказанное означает, что в данном слу чае имеет место сохранение лишь зетовой со ставляющей момента.
Переходя к случаю изотопического прост ранства, изложенное можно перефразировать следующим образом. Включение электромаг нитных сил приводит к появлению в изотопи ческом пространстве некоторого выделенного направления. Это направление определяет на правление зарядовой оси, а вместе с тем и на правление той оси г, на которой откладыва ются зетовые компоненты Т3 изотопического спина. Изотропность изотопического простран ства нарушается, вместо сферической симмет рии будем иметь аксиальную симметрию отно сительно зарядовой оси. Поэтому при наличии электромагнитных сил будет выполняться стро го лишь закон сохранения зетовой составляю щей (Г3) изотопического спина.
Таким образом, закон сохранения изотопи ческого спина в векторном виде, т. е. сохране ние величин Т и Г3, не является универсаль ным законом природы, а специфическим зако ном сохранения, справедливым только для чистых сильных взаимодействий.
Говоря о неразличимости зарядовых состо яний частицы, соответствующих различным значениям проекции Т3 в случае чистых силь ных взаимодействий, мы можем это рассмат ривать как своеобразное вырождение по 73. Точно так же, как в свободном атоме одной и
137
той же энергии и величине момента / соответ ствует 2/+1 состояний с различными проек циями орбитального момента, одной и той же массе частицы, а следовательно, одной и той же энергии частицы соответствует 2Г-Н заря довых неразличимых состояний изотопическо го мультиплета с изотопическим спином Г. Включение магнитного поля, нарушая симмет рию, одновременно приводит к снятию вырож дения: состояния электрона с различными про екциями момента становятся физически раз личимыми за счет появления дополнительной энергии, энергии взаимодействия с внешним магнитным полем, зависящей от направления момента относительно поля, а следовательно, и от значения проекции момента па это на правление. Аналогично этому включение эле ктромагнитных сил, приводя к нарушению сфе рической симметрии в изотопическом прост ранстве, должно повлечь за собой снятие вырождения по зарядовым состояниям одной и той же частицы. Эти состояния становятся уже различимыми за счет того, что различные электрические заряды определяют различную степень электромагнитных взаимодействий. Поскольку это взаимодействие связано с опре деленным значением энергии, а в реальных ус ловиях от электромагнитных сил никак изба виться нельзя, то в соответствии с известным
соотношением между энергией и массой |
Е — |
= тс2 мы должны ожидать появления у |
раз |
личных |
зарядовых состояний мультиплета раз |
||
личных |
поправок на |
массу покоя |
частицы. |
Как следует из табл. |
1, эти поправки невели |
||
ки и могут быть как отрицательного, |
так и по |
||
138
ложительного знака. Например, нейтральный нейтрон несколько тяжелее положительно за ряженного протона, в то время как заряжен ные пп-мезоны тяжелее нейтрального я°-ме- зона.
В физике известно явление расщепления спектральных линий в магнитном иоле. Вместо одной линии появляются группы из двух (ду б л е т ы), трех (т р ип л е ты) и более спект ральных линий, или спектральные мультиплеты. Это происходит за счет снятия вырождения по проекциям момента. В теории изотопи ческого спина введена аналогичная термино логия. Совокупность всех зарядовых состояний, соответствующих данному значению изо
топического спина Т, |
принято называть з а р я |
|
д о в ы м , |
или и з о т о п и ч е с к и м , м у л ь т и - |
|
п л е т ом. |
Например, |
два зарядовых состояния |
нуклона — нейтрон и протон — называют изо топическим дублетом, а три зарядовых состоя ния пи-мезона — изотопическим триплетом и т. д. По изотопическим мультиплетам можно сгруппировать все другие сильно взаимодей ствующие частицы. Для всех тех частиц, кото рые не участвуют в сильных взаимодействиях, т. е. для лептонов и фотона, изотопический спин не вводится.
ЧАСТИЦЫ СО СТРАННОСТЯМИ
Из всех видов взаимодействий наиболь шим совершенством и гармонией об
ладает сильное взаимодействие. Эта гар мония выражается в том, что реакции, идущие по сильному взаимодействию, под чиняются ряду дополнительных законов сохранения, которые в электромагнит ных и слабых взаимодействиях могут и не выполняться. Один из таких законов был уже рассмотрен. Это закон сохране ния изотопического спина. Он является следствием сферической симметрии изо топического пространства, которая отра жает зарядовую симметрию сильных взаимодействий. Иначе говоря, сохране ние изотопического спина есть следствие более высокой степени симметрии силь ных взаимодействий. Но все ли особенно сти сильных взаимодействий сводятся к закону сохранения изотопического спина? Является ли зарядовая симметрия пос ледним элементом симметрии сильных взаимодействий? Оказывается, что нет. Существует ряд характерных .особенно стей, которые не укладываются в рамки изотопических характеристик.
Эти особенности связаны с некоторым специфическим зарядом сильно взаимо действующих частиц — странностью. По нятие странности помогло, в частности, осмыслить, почему /(-мезоны и Е-гиперо- ны образуют изотопические дублеты, Л°- гиперон — синглет, а 2-гипероны — три плет. Иначе говоря, почему /(-мезонов и Е-гиперонов должно быть по два, Л-гипе-
140
/
рон — один, а 2-гиперонов — три. На этот во прос теория изотопического спина и закон его сохранения не дают никакого ответа, так как то или иное значение изотопического спина для данной совокупности зарядовых состоя ний частицы вводится лишь после того, как уже установлено число этих состояний.
Ч т о ж е т а к о е с т р а н н о с т ь ?
Начнем с истории. Как мы уже упомина ли, странными частицами были названы те ча стицы, которые были открыты после нуклонов и пи-мезонов,, выражая этим словом то обстоя тельство, что теория могла бы в тот период развития обойтись и без них. Странные части цы, как и мю-мезон, оказались «лишними». С открытием странных частиц возник вопрос, можно ли их, так же как и нуклоны, пи-мезо ны, группировать в изотопические мультиплеты и в какие именно. Этот вопрос в то время имел принципиальное значение для выяснения того, какие еще странные частицы нужно ис кать экспериментаторам.
К 1952 г. хорошо были известны только две странные частицы: А°-гиперон и К-мезон. Бы ло установлено, что они образуются при силь ном взаимодействии сталкивающихся частиц, т. е. за время порядка 10~23 сек, а распадают ся в 10 000 млрд, раз медленнее, т. е. за время примерно 10"10 сек, характерное для процес сов слабого взаимодействия. Для физиков это было очень странным. Казалось, что здесь на рушается твердо установленный принцип об ратимости реакций. Согласно этому принципу, если какая-либо реакция идет в одну сторо ну, то она должна идти с той же скоростью
141
и в обратную, т. е. при столкновении конеч ных частиц они должны с той же скоростью превращаться в начальные. В то время неявно предполагалось, что в процессе сильного взаи модействия как К0, так и Л° могут появляться поодиночке. Отсюда в соответствии с принци пом обратимости и вытекало, что каждая из этих частиц по отдельности должна распадать ся примерно за 10~23 сек.
Выход из этого противоречия был найден А. Пайсом и И. Намбу. Они предположили, что вместе со странной частицей А0 или К0 рожда ется еще по крайней мере одна частица. Толь ко при встрече с последней может произойти реакция, обратная той, в которой она появи лась. Но поскольку после образования, напри мер, Л°-гиперона и какой-то другой частицы они разлетаются друг от друга на достаточно
,большие расстояния, то обратная реакция и не может произойти. Представленный самому се бе А°-гиперон не обязан распадаться по силь ному взаимодействию. Именно в этом может таиться причина довольно большого времени
жизни этой частицы.
Догадка Пайса и Намбу подтвердилась. В первых же экспериментах, выполненных на мощных ускорителях, было обнаружено, что в одном и том же процессе столкновения я-ме- зона высокой энергии с протоном обе частицы К0 и А0 рождаются одновременно, в паре друг с другом. Впоследствии оказалось, что парное рождение является общим свойством всех
странных частиц. В этих столкновениях |
по |
|
является |
в паре с К+, 2° — с К0, К — с К + и |
|
т. д. (см. |
табл. 2). В этом и проявляется |
их |
142
странность. Парное рождение странных частиц напоминает парное рождение электрона и по зитрона, бариона и антибариона, хотя и не сов сем похоже на них, так как пара странных ча стиц не обязательно состоит из античастицы и частицы. Оно более похоже на парное рож дение электрона и антинейтрино.
Одиночное рождение позитрона и антибари она запрещено законами сохранения элек
трического и барионного зарядов. Так как оди ночное рождение странных частиц не наблю дается, естественно и для странных частиц ввести свой «заряд», сохранение которого за прещало бы их рождение в одиночку. Этот свое образный заряд, т. е. число, указывающее на степень странности частицы, и получил назва ние с т р а н н о с т ь . Нуклонам и пи-мезонам, не проявляющим никаких странных свойств, следует приписать нулевое значение странно сти, а каждой из странных частиц, рождаю щихся в паре друг с другом,— значения стран ности, равные по величине и противоположные по знаку. Тогда во всех процессах рождения странных частиц странность будет сохранять ся, т. е. алгебраическая сумма странностей ча стиц до и после реакции будет одинакова. В частности, если, как это принято, приписать /С°-мезону странность, равную +1, а рождаю щемуся в паре с ним Л°-гиперону странность, равную —1, то сумма странностей пары К0 и Л°, как и сумма странностей сталкивающихся пи-мезона и нуклона, будет равна нулю.
Вместе с тем требование сохранения стран ности запрещает появление в процессах столк-
143
