| 8406202 9216 1210 912 1ы не только с участием частиц (электронов), но и с участием античастиц (позитронов). Оператор ф(пси) уничтожает электронили рождает позитрон, а оператор ф рождает электрон или уничтожает позитрон. Оператор А описывает как рождение, так и уничтожение фотонов, поскольку абсолютно нейтральная частица - фотон -сама является своей античастицей. Т. о., взаимодействие еффА описывает не только испускание и поглощение света электронами и позитронами, но и такие процессы, как рождение электрон-позитронных пар фотонами или аннигиляция этих пар в фотоны.
Рис. 1.
Рис. 2.
Обмен фотоном (у) между двумя заряженными частицами приводит к взаимодействию этих частиц друг с другом.
В результате возникает, напр., рассеяние электрона протоном, к-рое схематически изображается Фейнма-на диаграммой, представленной на рис. 1. При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению ядром электрон-позитронной пары (рис. 2).
Теория В-распада Ферми по существу аналогична теории электромагнитных процессов. В основу теории Ферми положил взаимодействие двух "слабых токов", но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частицей - квантом поля (фотоном в случае электромагнитного взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие в совр. обозначениях имеет вид:
[2336-8.jpg]
Здесь G - константа Ферми, или константа С. в., эксперимент. значение к-рой G ~ 10-49 эрг х см3; величина G/hc имеет размерность квадрата длины, и в единицах с = h = 1 G ~ 10-5/М2Р, где Мр- масса протона; р - оператор рождения протона (уничтожения антипротона), n - оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона), е - оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), v - оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино). [Здесь и в дальнейшем операторы рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующих частиц, набранными полужирным шрифтом.] Ток рyМn, переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного, а ток eyМv - лептонного (электрон и нейтрино - лептоны). Ферми постулировал, что, подобно электромагнитному току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами. Поэтому фермиевское взаимодействие наз. векторным. (Заметим, что первоначальная идея Ферми заключалась в том, что нуклонный ток рyМv аналогичен электромагнитному току рyМv, лептонный ток еyМv -электромагнитному полю Д,. Однако в написанное им выражение нуклонный и лептонный токи вошли равноправно, и дальнейшее развитие теории всё в большей степени подчёркивало это равноправие.)
Рис. 3, Рис. 4, Рис. 5.
Подобно испусканию электрон-позитронной пары, В-распад нейтрона может быть описан похожей диаграммой (рис. 3) [в статье античастицы помечены значком "тильда" (~) над символами соответствующих частиц]. Но из сказанного выше об операторах рождения и уничтожения частиц следует, что взаимодействие лептонного и нуклонного токов должно давать и другие слабые процессы, напр. реакцию
[2336-9.jpg]
Существенным отличием слабого тока от электромагнитного является то, что слабый ток меняет заряд частиц, в то время как электромагнитный ток не меняет: слабый ток превращает нейтрон в протон, электрон в нейтрино, а электромагнитный оставляет протон протоном, а электрон электроном.
Поэтому слабые токи рn и ev наз. заряженными токами. Согласно такой терминологии, обычный электромагнитный ток ее является нейтральным током. Обсуждение вопроса о нейтральных слабых токах типа vМvМ, ММ см. ниже.
Следует подчеркнуть, что теория Ферми опиралась на результаты исследований в трёх различных областях: 1) экспериментальные исследования собственно С. в. (В-распад), приведшие к гипотезе о существовании нейтрино; 2) экспериментальные исследования сильного взаимодействия (ядерные реакции), приведшие к открытию протонов и нейтронов и пониманию того, что ядра состоят из этих частиц; 3) экспериментальные и теоре-тич. исследования электромагнитного взаимодействия, в результате к-рых был заложен фундамент квантовой теории поля.
Дальнейшее (и особенно позднейшее) развитие физики элементарных частиц неоднократно подтверждало плодотворную взаимозависимость исследований сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий.
Вопрос о том, действительно ли слабое В-распадное взаимодействие - векторное, был предметом теоретич. и экспериментальных исследований в течение более 20 лет. За эти годы выяснилось, что С. в. ответственно не только за В-распад ядер, но и за медленные распады нестабильных элементарных частиц. После открытия мюонов, п-мезонов, К-мезонов и гиперонов в кон. 40 - нач. 50-х гг. была сформулирована гипотеза об универсальном характере С. в., ответственного за распады всех этих частиц.
В 1956 при теоретич. исследовании распадов К-мезонов Ли Цзун-дао и Ян Чжэпъ-нин (США) выдвинули гипотезу о том, что С. в. не сохраняет чётность; вскоре несохранение чётности было обнаружено экспериментально в В-распаде ядер (By Цзянь-сюн и сотрудники, США), в распада мюона [Р. Гарвин, Л. Ледерман (США) и др.] и в распадах др. частиц.
Осенью 1956 Л. Д. Ландау и независимо Ли, Ян, Р. Эме выдвинули гипотезу, согласно к-рой 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, напр., угловые распределения электронов (е-) при распаде отрицательных мюонов (М-) и позитронов (е+) при распаде М+ 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 yMy5, где y5 = iyoy1y2y3.) При преобразованиях Лоренца оба эти тока (V и А) 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 рп и eve, в токе появились ещё другие члены: мюонный, МvM, переводящий мюонное нейтрино vM, в мюон [мюонное нейтрино было открыто экспериментально в 1962, и нейтрино, выступающее в реакциях совместно с электроном (позитроном), стали называть электронным и обозначать символом ve], и странный адронный ток, приводящий к распаду странных частиц (К-мезонов и гаперонов). Что касается нуклонного тока рп, то он теперь выступает как одно из проявлений адронного тока, не меняющего странность.
Рис. 6. Нарушение пространственной чётности инвариантности относительно зарядового сопряжения в процессах слабого взаимодействия, а также инвариантность слабого взаимодействия относительно комбинированной инверсии иллюстрируются на распадах М+->e+ + vc + + vМ (а) и М- -> е- + ve + vМ (б). Жирная стрелка - направление спина мюона М+(М-) ("кружок" со стрелкой обозначает направление "вращения", отвечающее указанному направлению спина); тонкая стрелка - направление импульса позитрона е+ (электрона е-); пунктирная стрелка - изображение вылета е+ (е-) в "зеркале" Р (при зеркальном отражении направление спина-направление "вращения" - не меняется). Если бы в слабых взаимодействиях сохранялась пространственная чётность, т. е. существовала зеркальная симметрия, то вероятности вылета е+ (е-) под углами V и п - V к направлению спина М+(М-) были бы одинаковыми. Если бы слабое взаимодействие было инвариантно относительно зарядового сопряжения, то распады М+ и М- выглядели бы одинаково. В действительности этого не наблюдается. Инвариантность слабых взаимодействий относительно комбинированной инверсии проявляется в том, что оказываются одинаковыми вероятности вылета е+ под углом V к спину М+ (а) и вылета е- под углом п - V к спину М- (б).
Адронные токи (нестранный и странный) более сложны, чем лептонные, поскольку число известных лептонов мало
(е+, ve, ~ve, M+-, vM, ~vM а число известных адронов достигает неск. сотен. Можно, однако, предположить, что все известные адроны построены из трёх типов более элементарных частиц, к-рые получилиназвание кварков: протонного кварка р, нейтронного кварка и, странного кварка Л(лямбда) и их античастиц - антикварков.
Нуклоны состоят из трёх кварков: р = ррп, n = ппр; Л-гиперон, напр., содержит в своём составе наряду с р- и n-кварками ещё и странный кварк: Л = рnЛ; мезоны состоят из кварка и анти |
