Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

Закони збереження у мікросвіті

Закони збереження у фізиці елементарних частинок практично відіграють більшу роль, ніж у класичній фізиці, де їх можуть замінити закони динаміки. В мікросвіті закони збереження виконуються вдивовиж чітко, причому багато з них порівняно з макросвітом цілком нові. Ще одна характерна їх особливість: у мікросвіті всі явища (процеси) відбуваються обов'язково, якщо в їх перебігу не порушується хоча б один закон збереження. Показовим тут може бути тунельний ефект квантової механіки - явище, пов'язане з проникненням частинки крізь потенціальний  бар'єр при її повній  енергії,  меншій  від потенціальної енергії бар’єра. Але цей неординарний факт зовсім не реалізується в макроскопічній фізиці.

Фізичний зміст законів збереження, як ми вже бачили, розкривається в особливості, що кожному з них відповідає певний вид симетрії в природі.

Усі закони збереження можна поділити на три групи. Першу групу складають ті з них, які пов’язані з геометрією чотиривимірового простору-часу. Крім розглянутих трьох законів збереження ( енергії, імпульсу, момента імпульсу) до цієї групи ще відносять закон збереження центра інерції мас, який є наслідком рівноправності всіх інерціальних систем відліку в чотиривиміровому світі. У квантовій механіці сюди ще відносіть закон СРТ-відображення, що пов’язаний із симетріями відносно відображення зарядів, координат і відображення часу. Задачі збереження першої групи належать до законів універсального характеру і проявляють себе в усіх взаємодіях у макросвіті.

Другу групу складають такі чотири закони збереження зарядів: електричного, баріонного, першого лептонного і другого лептонного. Ці закони супроводжують народження, поглинання, взаємоперетворення елементарних частинок.

До третьої групи законів збереження відносять ті закони, які не мають універсального характеру. Вони проявляють себе тільки при деяких видах взаємодій. Сюди відносять:

1.Закон збереження дивності (відповідна йому динамічна симетрія невідома), що проявляється в сильних та електромагнітних взаємодіях;

2.Закон повного ізотопічного спіну (ізотопічна симетрія), який виконується тільки при сильних взаємодіях;

3.Закон збереження парностей, що проявляється в сильних і електромагнітних взаємодіях і порушується в слабких.

Варто акцентувати, що у мікросвіті поняття симетрії ще значущише, ніж деінде, бо різноманітність властивостей елементарних частинок призводить до зростання як видів симетрії, так і числа відповідних законів збереження.

Цікаво, що ще П.Кюрі якось зауважив, що там, де порушується симетрія, треба чекати нових відкрить.

Закон збереження баріонного заряду

Закони збереження регулюють процеси взаємоперетворень (народження і розпаду) елементарних частинок - одну з основних їхніх ознак. Безперечно, тут має виконуватися співвідношення СТВ W = тс2. Проте воно не забороняє, наприклад, перетворення протона на енергійний позитрон чи розпад нуклонів на легкі частинки. Якби такі процеси були можливі, то існування стабільних ядер у природі стало б проблематичним. Ця обставина наводить на думку, що в усіх перетвореннях повинне зберігатися число нуклонів. Так, наприклад, розпад нейтрона (низькі енергії) за схемою ( IV.1) узгоджується з цією вимогою: зникає баріон n, але народжується баріон р. Якщо енергії високі, то у реакціях виникають навіть антинуклони, а то й гіперони (див.  (IV.3) і ( IV.4) ).

Виявляється, що у баріонів (це нуклони і важчі за них гіперони) є певні

спільні властивості і одна частинка може замінити іншу. Враховуючи це, ввели  в теорію елементарних частинок  числову характеристику, спільну для всіх баріонів, - так званий баріонний заряд  В. Для всіх нуклонів і гіперонів  В = +1, а для антинуклонів і антигіперонів В = -1. Мезонам і лептонам приписується В = 0.

Легко переконатися, що в реакціях  ( IV.2) - ( IV.4) баріонний заряд зберігається. Той факт, що в усіх процесах, які супроводять взаємоперетворення елементарних частинок, баріонний заряд сталий, трактують як закон збереження баріонного заряду.

Закон збереження баріонного заряду також задовольняють такі дві реакції, які у свій час призвели до відкриття гіперонів Σ+ і Σ- (або Σ±) :

 

π-- +  р→Σ+ + К+ ,( IV.5)

π-- +  п→ Σ- + К0.( IV.6)

 

Проте цей закон ніколи не виконується при розпаді нуклонів на лептони, що підтверджується наслідками дослідів.

Закон збереження дивності

Було помічено, що К-мезони з масою ~960/me, а також гіперони проявляють особливі властивості. Ця група частинок поводиться незвично, тому вони дістали назву дивних частинок. Дивність їх поведінки в тому, що процес їхнього спонтанного розпаду в певному розумінні необоротний процесу утворення (виникають завжди парами). Так, наприклад, ламбда-гіперон розпадається на протон і π-мезон: Λ0 → р + π-, причому час життя гіперона відносно цього розпаду складає 10-10с, тобто цей розпад зумовлений слабкою взаємодією. Зворотно, при зіткненні протона з від'ємним піоном Λ0- гіперон утворюється разом з К0-мезоном: р + π-- →Λ0 + К0. При цьому процес утворення характеризується часом ~10-23,с, тобто зумовлений сильною взаємодією.

У 1953 році за пропозицією К.Нішиджими (Японія) і незалежно від нього М. Гелл-Манна (США) введено квантове число S, яке характеризує дивність частинки. Це число має особливу властивість: сума дивностей для всіх процесів сильної й електромагнітної взаємодій залишається сталою. Сформульоване твердження - закон збереження дивності.

Позаяк в лівих частинах реакцій ( IV.4 - IV.6) дивних частинок