Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

Дзеркальна асиметрія має місце тому, що в тій частині Всесвіту, де ми жи¬вемо, кількість частинок (речовини) незрівнянно більша за кількість античастинок (антиречовини).   Це  означає,   що  наш   світ  асиметричний   відносно дзеркального відбиття до такої міри, в якій він асиметричний з погляду на густину речовини й антиречовини.

Відповідно до СРТ-теореми всі види взаємодій у природі інваріантні відносно узагальненої операції СРТ. Звідси випливає такий висновок: якщо слабкі взаємодії інваріантні відносно операції СРТ, то вони повинні бути інваріантними відносно до операції Т. Отож СР-інваріантність елементарних взаємодій означає, що всі елементарні взаємодії інваріантні відносно обернення часу.

У 1965 році було виявлено порушення СР-інваріантності. Це свідчить про те, що порушується і Т-інваріантність. Цей факт виявили в розпаді К0-і  -мезонів. З'ясувалося, що незаряджені К0-мезони розпадаються двома різними шляхами з різними ймовірностями:

 

→ π+ +  е- +  υe ,     →  π- +  е+ +  νe.

 

Тут порушено закон інваріантності при зміні частинок на античастинки. Позаяк проблема "правого" і "лівого" не стосується цих взаємоперетворень, то закон збереження комбінованої парності не узгоджується з цим явищем. У жодних процесах, крім розпадів К0-мезонів, порушення СР-симетрії і Т-симетрії довгий час було не виявлено і тільки в 1999 році отримано експериментальні підтвердження порушення Т – симетрії. Природа цього порушення, його механізм залишаються ще  неясними, хоча запропоновано кілька теоретичних моделей, з допомогою яких намагаються пояснити це явище. Єдиною непорушною дискретною симетрією залишилась у даний час СРТ-симетрія. Цікаво, що однієї тільки СРТ-симетрії досить для того, щоб були рівні одна одній маси частинки й античастинки, а також тривалості життя.

Античастинки і симетрія

Виявлено, що, за невеликим винятком,  кожній елементарній частинці в мікросвіті відповідає античастинка. Частинка відрізняється від античастинки знаком всіх зарядів - електричного, баріонного, лептонного, хоч абсолютні величини у них однакові, а також дивності, магнітного моменту  , зачарування і краси (див. нижче). У них вектори   та   мають протилежні взаємні орієнтації (див. рис.104). Але маси спокою, спін, ізоспін і тривалості життя у частинок і античастинок однакові. Іноді частинка співпадає зі своєю античастинкою, тобто їх властивості тотожні. Тоді їх називають справді нейтральними частинками. До групи цих частинок відносять фотон γ, π0-мезон,  η0 -мезон, J/ψ-мезон, іпсилон-частинка Υ.

Що  назвати  частинкою,  а що  античастинкою  питання  чисто умовні, стосуються  домовленості.  Електрон  вважають  частинкою,  а  позитрон -  античастинкою,   бо   в   нашому   Всесвіті   переважають   саме   електрони,   а   не позитрони.   Проте   з   таким   же   успіхом   електрон   можна   було   б   назвати античастинкою, а позитрон частинкою.

Отож, коли в природі існує частинка, то конче має існувати античастинка. Відкриття, зокрема, пари електрон-позитрон вказало на симетрію електричних частинок по відношенню знака їх зарядів, яка, як вже говорилось, отримала  назву принципу зарядового спряження. Відповідно до цього принципу заряджені електричні частинки існують парами. Так, наприклад, у протона повинна існувати античастинка-антипротон -11р ( у 1955 році антипротон був відкритий О.Чемберленом), у нейтрона – антинейтрон.

Особливо важливим було узагальнення принципу зарядового спряження на нейтральні частинки: нейтрон і нейтрино. Згодом такі частинки було відкрито, зокрема, три антинейтрино – електронне, мюонне і τ-нейтрино. З часом цей принцип був поширений і на такі характеристики елементарних частинок, як лептонний, баріонний та інші, заряди. Він колись заохотив вчених до відкриття  антинейтрона та  різних видів антинейтрино.

Як відомо, при зіткненні частинки з античастинкою, вони анігілюють. Внаслідок анігіляції виникають або нейтральні частинки, або пари нової частинки й античастинки. Добре відомий приклад анігіляції пари електрон-позитрон: е+ + е- →  γ + γ. Процес розпаду нейтрального мезона відбувається через проміжну стадію анігіляції:   π° →  р + →  γ + γ .

Анігіляція якоїсь частинки може відбуватися зі своєю античастинкою. Проте при анігіляції важких частинок і античастинок виникають не стільки γ-кванти, скільки інші легкі частинки. Це тому, що анігіляція електрона з позитроном здійснюється внаслідок електромагнітної взаємодії, тоді як анігіляція більш важких частинок і античастинок (адронів) пов'язана з сильною взаємодією. Так, при анігіляції протона з антипротоном частка γ-квантів значно менша за частку π-мезонів.

Наявність у природі античастинок тісно пов'язана з принципами симетрії. Без залучення античастинок рівняння, що описують різні типи елементарних частинок, були б неінваріантними відносно перетворень Лоренца. Це означає, що існування   поруч  з  частинками   античастинок  у  прямому  сенсі   пов'язано   з інваріантністю фізичних законів стосовно переходу від однієї ІСВ до іншої.

СРТ-перетворення  переводить  елементарні  частинки  в античастинки. Частинка й  античастинка відрізняються  між