Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

Три розглянуті типи симетрії Людерсом-Паулі були об'єднані в СРТ-теорему - комбіновану операцію. Вона стверджує, що коли водночас замінити всі частинки відповідними античастинками, виконати операцію дзеркального відбиття і повернути плин часу, то в такому разі фізичні закони залишаються незмінними. Аналогічної теореми в механіці не існує.

Разом з тим зазначимо, що чотири  перші закони збереження  відносять до категорії неперервних симетрій. Тут усі зміни, які не порушують сталість фізичних законів, можуть бути якзавгодно малими, виконаними плавно, поступово, тобто неперервно. Три симетрії, охоплені СРТ-теоремою, перервні (дискретні), передбачають стробкоподібні зміни. Так, відбиття в дзеркалі є або його немає, а протон не можна замінити антипротоном лише частково. Це саме стосується також зміни знака часу.

Порушення дзеркальної і зарядової симетрій у процесах розпаду

 Кілька загальних зауважень: 1. Імпульс частинки, що має масу m і рухається з швидкістю   являє собою полярний вектор. Такими векторами є також вектори сили й напруженості електростатичного поля. Але спін частинки-аксіальний вектор. Напрям полярного вектора наперед задається, а напрям аксіального вектора пов'язаний умовно з правим чи лівим гвинтом. Типовим аксіальним вектором є вектор магнітної індукції котушки зі струмом. Полярний     й аксіальний   вектори в дзеркалі відбиваються по-різному (рис.103); 2. У 1925 році Гаудсміт і Юленбек висунили гіпотезу про те, що електрон має власний момент кількості руху  , що не пов’язаний з рухом електрона в просторі. Момент   назвали спіном. Спочатку припускали, що спін зумовлений обертанням електрона навколо своєї осі уподібнено вовчку (рис.15). Від аналогічної моделі невдовзі прийшлося відмовитись: електрон – зовсім не вовчок і не кулька, що обертається. Спін – це внутрішня властивість електрона подібно тому, як йому властиві заряд і маса. Це стосується також багатьох інших елементарних частинок, зокрема нейтрино; 3. Спін нейтрино, як векторна величина, завжди напрямлений протилежно до імпульсу  . Тож якщо співставляти спін із обертанням частинки навколо власної осі, то ця вісь у нейтрино буде зорієнтована по напряму її руху. Якщо дивитися вслід нейтрино, що лежить від нас (наприклад, вгору), то його обертання відбуватиметься проти годинникової стрілки (рис.14,а). В антинейтрино вісь обертання також паралельна до напряму його руху, але в нього, що рухається від спостерігача (вгору), обертання відбувається за годинниковою стрілкою (рис.14,б) – правий гвинт; 4. Закономірність руху й обертання нейтрино (антинейтрино) стосується всіх інших нейтрино, не тільки електронних. Напрями їх поступального руху й напрями їх обертання пов’язані між собою однозначно, тоді як електрон може обертатися як вправо, так і вліво відносно напряму руху.

Одним з найдивовижніших відкриттів у фізиці 50-х років XX ст. було доведення того факту, що процеси, викликані слабкими взаємодіями, неінваріантні відносно дзеркального відбиття, тобто виявлення незбереження парності у слабких взаємодіях. Цю гіпотезу висунули американські фізики Лі та Янг (1956), а експериментально її перевірила в наступному році китайська дослідниця професор Колумбійського університету, що працювала в США, Ву Чень-Чунг.

Основна ідея досліду Ву така. Радіоактивний Со60 поміщали в сильне магнітне поле при дуже низькій температурі (Т < 0,03 К). За цих умов спінові моменти більшості ядер кобальту орієнтувалися в напрямі прикладеного поля, ставали паралельними. Очікували, що кількість електронів (вони зв'являлися при β-розпаді), які вилітають у напрямі магнітного поля і проти нього, мають бути рівними. Адже процес β-розпаду, як уявляли, інваріантний відносно відбиття в дзеркалі (як всі інші процеси в мікросвіті), імовірність вилітання в обох протилежних напрямах (за і проти магнітного поля) однакова. Всупереч всім сподіванням число одних і других частинок з невідомих причин виявилось різковідмінним, чого  ні в якому разі не мало бути. Цим дослідом доведено відсутність дзеркальної симетрії Р в процесі β-розпаду ядер Со60. Зазначимо, що дзеркальна асиметрія виявлена також у розпадах мюонів, таонів, К-мезонів і гіперонів.

Як виявилося, поруч із дзеркальною симетрією порушується також зарядова симетрія (С-інваріантність). Це означає, що в законах природи порушується інваріантність не тільки відносно заміни лівого на праве, але також відносно замін частинок на античастинки. Модель нейтрино (це лівий гвинт), зокрема, допускає порушення як Р-інваріантності, так і С-інваріантності.

Проілюструємо цю особливу обставину розпадом  π+-піона:

π +→ μл+ +  υμл ,                                               ( IV.11)

де літерою "л" позначено лівий гвинт. У системі спокою піона, щоб зберігався момент імпульсу, частинки справа повинні летіти в протилежні боки, відтак маютьі являти собою ліві гвинти. Якби процес (IV.11) проявляв дзеркальну симетрію, то виконувався б процес видозмін π +→ μп+ +  υμп (літера "п"-правий гвинт). Позаяк нейтрино не може бути правим гвинтом, то цей розпад неможливий. Якби зарядова симетрія не порушувалася, то поруч з (IV.11) відбувалися б розпади за схемою π- → μл- + υμл. Але й цей процес також заборонений, бо це нейтрино – правий гвинт. Вартий   подиву