Чтение онлайн

При математическом описании процессов зеркальное отображение соответствует изменению знака пространственных координат. Поэтому симметричные состояния частиц называются четными — знак функции, которая их описывает, не меняется, а антисимметричные — нечетными. Отсюда Вигнер постулировал в 1932 г. закон сохранения четности: каждая частица имеет определенную четность, а четность их соединений определяется произведением четностей составных частей и моментом системы.

Обращение времени Т означает, что наряду с прямой реакцией может происходить и обратная: из перехода, например, А + В -> С + D, следует возможность и обратного перехода: С + D->А + В (вероятности их различны, но связаны так называемой теоремой баланса).

Симметрия относительно зарядовой четности С означает, например, что если продукты распада частицы вылетают в одну сторону, то продукты распада античастицы вылетят в противоположную сторону.

Законы сохранения определенных четностей казались столь естественными, что как-то даже не поднимался вопрос о возможности их нарушения. И вдруг, в 1956 г. совершенно неожиданно появляется статья двух теоретиков, американцев китайского происхождения, Ли Чжендао (р. 1926) и Янг Чжэньнина (р. 1922): оказывается, ни один существующий эксперимент не доказывает, что в реакциях с участием нейтрино (они называются слабыми) пространственная четность сохраняется. А может быть, этот закон справедлив только для сильных и электромагнитных взаимодействий и не выполняется для слабых? И они предлагают ряд экспериментов для проверки такой гипотезы.

Статья эта вызвала в первый момент впечатление шутки или абсурда: под удар ставилась, казалось, самая основа физики. Но очень скоро, буквально через несколько месяцев, их компатриотка мадам Ву Цзин-сян (р. 1913) подтверждает гипотезу Ли и Янга: поставив эксперименты по бета-распаду строго ориентированных при низких температурах ядер кобальта и измеряя поляризацию электронов, она показала, что нейтрино бывают только лево-поляризоваными. Значит, их нельзя отразить в зеркале — поляризация должна при этом измениться на правую, но таких нейтрино не существует!

Сразу же и почти одновременно Янг и Ли, Л. Д. Ландау и Абдус Салам предположили, что должна сохраняться комбинированная СР-четность: при отражении в зеркале одновременно с изменением знака координат и поляризации нейтрино переходит в антинейтрино. (Ли и Янг очень быстро, уже в 1957 г. получили Нобелевскую премию.)

Позднее закон сохранения комбинированной четности (и несохранения Р- и С-инвариантности по отдельности в слабых и только в слабых взаимодействиях) был подтвержден во многих других экспериментах.

Но в 1964 г. Джеймс У. Кронин (р. 1931) и Вел Л. Фитч (р. 1923) обнаруживают, что при одном из типов распадов К-мезонов (или каонов, о них ниже) даже комбинированная четность не сохраняется. Нейтральные каоны существуют в двух формах: одна из них четная и поэтому может распадаться только на два пи-мезона (К0S– > 2), а вторая, нечетная и в 500 раз более долгоживущая, распадается на три пи-мезона (К0L– > 3) — именно такие типы распадов им строго предписывает сохранение СР-инвариантности.

Однако в эксперименте оказалось (в 45 случаях из 23 тыс. сфотографированных событий в искровой камере), что иногда каон К0L распадается на два пиона, а не на три — из-за редкости этого процесса его называют сверхслабым. Эти наблюдения были встречены с таким недоверием, что еще около полугода все эксперты их тщательно анализировали до того как отправить в печать.

Итак, вне подозрений осталась только полная СРТ-симметрия. Но тогда нарушение СР означает, что нарушается, для компенсации СРТ-сохранения, и Т-симметрия, т. е. из существования прямого процесса вовсе не следует, что должен существовать и обратный процесс. А это соображение ведет уже к грандиозным выводам. Так, мы дальше будем говорить, что вся наша Вселенная возникла 15–20 млрд лет тому назад в результате Большого взрыва, но в момент этого взрыва должно было возникнуть равное количество материи и антиматерии, почему же сейчас мы наблюдаем только материю и не видим антиматерию?

Если все процессы Т-инвариантны, то сейчас должно наблюдаться такое же соотношение материи и антиматерии, которое было в самом начале существования Вселенной. Но нарушение СР- или Т-инвариантности позволяет античастицам распадаться быстрее, чем частицам, и, следовательно, быстрее исчезать, оставляя избыток частиц в виде вещества Вселенной. (Аннигилировавшие частицы и античастицы пополняют запас электромагнитного излучения и нейтрино во Вселенной.)

Принципиально важно отметить, что здесь физика самых малых по времени жизни и по размерам образований смыкается с физикой самых грандиозных процессов в мире.

Кронин и Фитч были за свой эксперимент удостоены Нобелевской премии 1980 г., однако до сих пор остается все же непонятным, чем вызван этот факт несохранения — полной теории, как объяснения причин такого распада, так и оценок итогов этих процессов в эволюции Вселенной, все еще нет.

Итак, существуют только левополяризованные нейтрино и правополяризованные антинейтрино. Но это означает, что к ним не подходит уравнение Дирака, описывающее остальные фермионы: оно дает для частицы и античастицы четыре решения, а здесь их только два. И тут вспомнили, что еще в 1929 г. знаменитый математик Герман Вейль предлагал двухкомпонентное уравнение для электрона, отброшенное как раз потому, что оно не сохраняло четность [40] . Но согласно этому уравнению масса нейтрино должна строго равняться нулю, и хотя большинство теоретиков в этом уверены, поиски и определение его массы все еще продолжается. На сегодня (2010 г.) можно сказать, что масса нейтрино, вылетающих при бета-распаде ядер, не превышает в энергетических единицах 3 эВ, т. е. менее одной стотысячной от массы электрона (0,51 МэВ).

Но оказалось, что существует много разных нейтрино. И дело было так.

Со дня своего открытия в 1937 г. мюоны представляли особый предмет, вызывающий головную боль у теоретиков. Вначале думали, что они имеют отношение к ядерным силам, потом оказалось, что они очень слабо взаимодействуют с ядрами и столь схожи с электронами, только в 207 раз тяжелее, так что их хотелось принять за «возбужденные» электроны. Но если это возбужденные электроны, то они должны, испустив гамма-квант, превращаться в электроны или позитроны, т. е. обязательно должен наблюдаться такой распад: – – > е– + . Этот распад искали все и… никто никогда его не наблюдал!

Нет, мюон распадался, и при этом энергия вылетающих электрона или позитрона менялась в очень широких пределах, а это означало, что он распадается, по крайней мере, на три частицы, две из которых — типа нейтрино: – – > е– + + . Но если бы они были действительно нейтрино и антинейтрино, они могли бы превратиться в гамма-квант, а раз этого не происходит — значит, они частицы разного типа!

Приходилось признать, что есть какие-то электронные нейтрино и мюонные нейтрино, а реакции распада мюонов должны записываться как

– – > е– + + e

+ – > е– + + e

Р. Фейнман как-то рассказывал, что когда его что-то особенно интересует, то он пишет условия задачи на одной из досок в кабинете, чтобы они были всегда перед глазами, и потом вносит добавочные сведения. Так вот, на одной из досок он нарисовал в верхнем левом углу значки:«?», — а за следующие 20 лет ничего к ним не добавил…