Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

Заряд - це міра взаємодії тіла  з електрикою, з породженим нею електричним полем. Заряд завжди змінюється порціями. Ця його специфіка досі не має пояснення. Друга властивість заряду - він є джерелом поля. Сумарний електричний заряд початкових частинок строго дорівнює сумарному електричному заряду частинок, які отримують внаслідок взаємоперетворень, - закон збереження електричного заряду.

Багато явищ у наш час досліджені на рівні законів збереження. Зв'язок між цими законами і принципами симетрії має адекватне пояснення, як на сьогодні, лише в квантовій механіці, тобто формулюється на основі апарата квантової механіки. Так, закон збереження електричного заряду пов'язаний з квантомеханічною фазою. Це складне поняття виходить за межі шкільного курсу фізики. Елементарно лише зазначимо, що в основі цього закону лежить симетрія фізичних законів відносно зміни абсолютної величини φ потенціалу електричного поля Відомо, що величина φ не має фізичного сенсу, бо практичне значення має лише різниця потенціалів. Це твердження відповідає уявленню про збереження електричного заряду. Ці  самі принципи лежать в основі і стабільності електрона й протона, що відіграє вирішальну роль в існуванні стійких атомів, відтак усього нашого світу.

Електрон -  частинка з найменшою масою спокою в природі. Його розпад з необхідністю породжував би частинки з нульовою масою спокою. Проте такі частинки, як правило, являються електрично нейтральними. Тому розпад електрона заборонений законом збереження електричного заряду.

Коротко згадаємо, що Вайнберг і Салам опрацювали теорію калібрувальної інваріантності (її визнають не всі вчені). Суть її в тому, що обертання в деякому зарядовому просторі не змінює законів електромагнітної взаємодії і законів руху електрично заряджених частинок. Із настанов калібрувальної симетрії випливає, зокрема, збереження електричного заряду і той факт, що маса переносників електромагнітних взаємодій (фотонів) має бути нульова (як і W± -і Z°- бозонів).

СРТ – теорема

Вісім зазначених абсолютних законів, що завжди супроводять взаємоперетворення елементарних частинок, доповнюють ще дев'ятим. Це т. зв. закон збереження СРТ-парності, або СРТ-теорема (читається як "ЦПТ-теорема"). Вона включає в себе комбінацію трьох досить наочних симетрій. Це: симетрія відносно заміни всіх частинок відповідними античастинками (зарядова симетрія, або С-інваріантність), симетрія відносно дзеркального відбиття ( Р-інваріантність; симетрія відносно обернення плину часу (т. зв. Т-інваріантність).

Операція С замінює частинку на античастинку, але імпульс і спін при цьому не змінюються. Якщо в рівнянні даної реакції кожну частинку замінити античастинкою, то знайдемо рівняння, що описує нову реакцію. Ця реакція називається зарядовою спряженістю, або просто С-операцією. Як приклад,  застосуємо  її до   реакції   р+  → Σ++Λ°+К0+К- . Будемо мати  +р→ , яка теж дозволена. Отож всі процеси в природі цілком можливі з участю античастинок, замість частинок. Закон зарядової спряженості строго виконується у сильних і електромагнітних взаємодіях.

Закон збереження парності в якісній формі стверджує, що коли в природі можливий якийсь процес (явище), то можливий також процес (явище), який є дзеркальним відображенням першого. Це рівносильне тому, що фізичні закони інваріантні при переході від якоїсь системи координат до віддзеркаленої, тобто ці процеси в природі цілком ідентичні (рівноймовірні) своїм дзеркальним відображенням. Тож, полярні і аксіальні вектори, які пов'язані з фізичними процесами, завжди утворюють такі комбінації, що закони класичної фізики інваріантні відносно відбиття, тобто задовольняють збереження парності (операція Р). Парність додатна (Р = +1), якщо оригінал і його дзеркальне відбиття можна сумістити; парність від'ємна (Р = -1), коли оригінал і його дзеркальне відбиття не можуть бути суміщені. Далі, якщо всі закони природи симетричні, то парність елементарної частинки в даній реакції не може змінитися при дзеркальному відбитті. Результуюча парність системи кількох частинок визначається не сумою, а добутком парності окремих частинок. Покажемо це на прикладі такої задачі.

Задача. К+ - частинка може  розпадатися  як на  два, так і на три піони: К+ → π+ + π0,   К+ → π+ + π+ + π- . В якому випадку зберігається закон парності?

Розв'язання. Позаяк мезони мають  Р = -1 (див. табл. 1), то добуток  (-1) х  х (-1) = + 1 = Р1  (перший випадок), у другому випадку Р2 = (-1) (-1) (-1) = -1. Тож парність зберігається у першій реакції.

У реакціях елементарних частинок парність зберігається при електромагніт¬них і сильних взаємодіях.

Усі фізичні процеси   інваріантні відносно обернення часу ( ). Його можна інтерпретувати як рух у просторі в протилежних напрямах вздовж попередньої траєкторії. Справді, вивчення ядерних реакцій і взаємоперетворень елементарних частинок переконує, що ці процеси однаково можуть відбуватися як у прямому,   так і в зворотному напрямах. Обидва напрями часто фізично рівносильні.  Наприклад, застосування операції Т (обернення часу) до реакції Lі7+ р →    веде  до  реакції    → Lі 7+ р.   Подібним  чином  частинка,   що розпалася, може бути відновлена за допомогою обернення часу. Так, операція Т  стосовно розпаду нейтрона (IV.1) матиме вигляд:

Т[п → р + е- + υе]= [р + e- + υе → п].

Поруч  з  процесом  р + р → р + п + π+  можливий  зворотний  процес: р + п+ π+ → р + p. Правда, зворотний процес, хоч і можливий, але здійснюється з меншою імовірністю порівняно з прямим. Це