БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (СЛ)
Дальнейшее (и особенно позднейшее) развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий.
Вопрос о том, действительно ли слабое b-распадное взаимодействие — векторное, был предметом теоретических и экспериментальных исследований в течение более 20 лет. За эти годы выяснилось, что С. в. ответственно не только за b-распад ядер, но и за медленные распады нестабильных элементарных частиц. После открытия мюонов, p-мезонов, К-мезонов и гиперонов в конце 40 — начале 50-х гг. была сформулирована гипотеза об универсальном характере С. в., ответственного за распады всех этих частиц.
В 1956 при теоретическом исследовании распадов К-мезонов Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нин (США) выдвинули гипотезу о том, что С. в. не сохраняет чётность; вскоре несохранение чётности было обнаружено экспериментально в b-распаде ядер (Ву Цзянь-сюн и сотрудники, США), в распаде мюона [Р. Гарвин, Л. Ледерман (США) и др.] и в распадах других частиц.
Осенью 1956 Л. Д. Ландау и независимо Ли, Ян, Р. Эме выдвинули гипотезу, согласно которой в С. в. нарушается не только пространственная чётность (Р ), но и зарядовая чётность (С ), причём таким образом, что сохраняется их произведение — комбинированная чётность (СР- чётность). Инвариантность С. в. относительно комбинированной инверсии, означала бы, что процессы с участием частиц являются «зеркальными» по отношению к процессам с участием соответствующих античастиц. Так, например, угловые распределения электронов (е- ) при распаде отрицательных мюонов (m- ) и позитронов (е+ ) при распаде m+ выглядят так, как это изображено на рис. 6 . Нарушение комбинированной инверсии, хотя и наблюдалось, но только в распадах нейтральных К-мезонов (см. ниже).
Обобщая огромный экспериментальный материал, М. Гелл-Ман , Р. Фейнман , Р. Маршак и Е. Судершан (США) в 1957 предложили теорию универсального слабого взаимодействия, т. н. V —А -теорию. В этой теории, так же как в теории Ферми, С. в. возникает за счёт слабых токов. Отличие заключается лишь в двух пунктах:
Во-первых, у Ферми слабый ток был векторным, а в новой теории ток представляет собой сумму вектора (V ) и аксиального вектора (А ). (Аксиальный ток конструируется с помощью матриц gm g5 , где .) При преобразованиях Лоренца оба эти тока (V и A ) ведут себя одинаково, подобно обычным четырёхмерным векторам. Однако при зеркальных отражениях они ведут себя по-разному, т. к. обладают различной чётностью. В результате слабый ток не обладает определённой чётностью. Это свойство слабого тока отражает несохранение чётности в С. в., обнаруженное на опыте.
Во-вторых, кроме членов и , в токе появились ещё другие члены: мюонный, , переводящий мюонное нейтрино nm в мюон [мюонное нейтрино было открыто экспериментально в 1962, и нейтрино, выступающее в реакциях совместно с электроном (позитроном), стали называть электронным и обозначать символом ne ], и странный адронный ток, приводящий к распаду странных частиц (К-мезонов и гиперонов). Что касается нуклонного тока , то он теперь выступает ках одно из проявлений адронного тока, не меняющего странность.
Адронные токи (нестранный и странный) более сложны, чем лептонные, поскольку число известных лептонов мало (е± , ne , , m± , nm , ), а число известных адронов достигает нескольких сотен. Можно, однако, предположить, что все известные адроны построены из трёх типов более элементарных частиц, которые получили название кварков : протонного кварка р, нейтронного кварка n, странного кварка l и их античастиц — антикварков. Нуклоны состоят из трёх кварков: р = ppn, n = nnp; L-гиперон, например, содержит в своём составе наряду с р- и n -kварками ещё и странный кварк: L = pn l; мезоны состоят антикварка: , , , , , . Гипотеза кварков прекрасно объясняет широкий круг явлений, относящихся к свойствам сильных и электромагнитных взаимодействий адронов и их классификации. Согласно этой гипотезе, b-распад нейтрона происходит за счёт того, что в нейтроне один нейтронный кварк превращается в протонный кварк, испуская пару е- . Аналогично, распад L ® р + е- + происходит за счёт превращения l-кварка в р -кварк: l ® р + е- + , при этом слабый адронный ток можно записать в виде:
, (3)
где — оператор рождения р -кварка (уничтожения -кварка), n — оператор уничтожения n -кварка (рождения - кварка), l — оператор уничтожения l-кварка (рождения -кварка), J — т. н. угол Кабиббо, который, как показал опыт, равен примерно 15°. То, что sinJ < cosJ, отражает тот факт, что распады с изменением странности частиц подавлены (идут с меньшей вероятностью) по сравнению с распадами, в которых странность сохраняется. Например, распад L ® р + е- + подавлен по сравнению с распадом нейтрона n ® p + е- + . Это утверждение не следует понимать, однако, слишком буквально, т. к. вероятность распада определяется не только силой взаимодействия соответствующих токов, но и величиной энергии, выделяющейся в распаде, а именно пропорциональна пятой степени этой энергии. А энерговыделение в распаде нейтрона на два порядка меньше, чем в распаде L-гиперона. Т. о., малость sinJ означает лишь, что L-гиперон хотя и распадается на 10 порядков быстрее нейтрона, однако примерно в 20 раз медленней, чем распадался бы нейтрон, если бы он имел массу L-гиперона.l
Если обозначить через j w суммарный слабый ток:
, (4)
то энергия (более точно — лагранжиан L ) С. в. приобретает вид:
; (5)
здесь G — константа С. в., индекс + означает сопряжённый ток:
. (6)
Каждое из слагаемых в токах j w и представляет собой сумму вектора и аксиального вектора, например . Такое выражение для С. в. описывает все известные слабые процессы, кроме т. н. нейтральных токов (см. ниже). Эти процессы можно расклассифицировать по тому, произведение каких слагаемых в токах j w и за них ответственно. В клетках таблицы перенумерованы соответствующие процессы.
Таблица слабых процессов
1 2 3 4 2 5 6 7 3 6 8 9 4 7 9 10Клетки таблицы, симметричные относительно диагонали, содержат прямые и соответствующие обратные процессы.
1. Произведение токов описывает упругое рассеяние ne + e ® ne + е; на опыте это рассеяние пока не обнаружено, но точность экспериментов несколько хуже необходимой для измерения предсказываемой теорией величины.
2. Произведение токов ответственно за распады m+ ® e+ + ne + и m- ® e- + + , которые хорошо изучены и прекрасно описываются теорией.
3. Произведение токов ответственно за b-распады ядер и распады типа p+ ® e+ + ne и . Вероятность последнего распада на основе аналогии между слабым векторным током и электромагнитным током (на основе гипотезы сохраняющегося векторного тока) была предсказана Я. Б. Зельдовичем и С. С. Герштейном ещё в 1955; последующие эксперименты подтвердили это предсказание. Это же взаимодействие приводит к нейтринной реакции + р ® е+ + n, обнаруженной в 1956 Ф. Райнесом и К. Коуэном (США) в пучке антинейтрино от ядерного реактора.
