Несохранение четности в слабых взаимодействиях. Опыт Ву

    Подозрения на то, что в слабых взаимодействиях не сохраняется пространственная четностьвозникли в связи с наблюдаемыми распадами K⁺-мезонов, которые распадались как на 2, так и на 3  -мезона с нулевыми относительными орбитальными моментами. Из этого следовало, что четность K⁺-мезона в первом случае должна была быть положительной, а во втором отрицательной. Ли и Янг предложили экспериментально проверить сохранение четности в слабых взаимодействиях, исследуя β-распад поляризованных ядер.     Впервые несохранение пространственной четности в слабых взаимодействиях было обнаружено в эксперименте Ву и др. в 1957 г. В эксперименте использовался  ^--активный источник ⁶⁰Co, помещенный в магнитное поле. У ядра ⁶⁰Co величина спина J = 5 и, соответственно, большой магнитный момент, что позволяло получить достаточно большую степень поляризации ядер в магнитном поле. Источник ⁶⁰Co, помещался в магнитное поле кругового тока, под действием которого спины ядер выстраивались вдоль направления поля. Для того, чтобы тепловое движение не уничтожило поляризацию ⁶⁰Co охлаждался до низкой температуры ~0.01^о K. Измерялось количество электронов β^-- распада

⁶⁰Co   ⁶⁰Ni + e^- +  _e,

испущенных по направлению магнитного поля (спинов ядер) и в противоположном направлении. Вся установка зеркально симметрична относительно плоскости, в которой расположен круговой ток. При зеркальном отражении импульс (полярный вектор) меняет направление на противоположное, а напряженность магнитного поля, магнитный момент, спин (аксиальные вектора) направления не меняют. Если бы пространственная четность сохранялась, что эквивалентно зеркальному отражению, одинаковое количество электронов должно было бы регистрироваться как по направлению магнитного поля, так и в противоположном направлении. Действительно, закон сохранения пространственной четности в сферических координатах для квадрата модуля волновой функции

|ψ(r,θ,φ)|² = |ψ(r,π- ,φ)|²,

из чего следует, что вероятности найти частицу под углом θ и (π-θ) равны.

Рис. 1. Схема опыта Ву

Рис. 2. Ориентации спинов и импульсов при  --распаде кобальта

    Однако, оказалось (см. рис.1), что электроны испускаются преимущественно в направлении противоположном направлению магнитного поля (спинов ядер), т.е. тем самым было доказано, что в слабых распадах четность не сохраняется.     Спин у антинейтрино всегда направлен по импульсу (см. рис. 2) (положительная или праваяспиральность), у нейтрино против импульса (отрицательная или левая спиральность). При β-распаде сохраняется комбинированная CP-четность - последовательное применение пространственной и зарядовой инверсии (замене частиц на их античастицы (рис 3)).

Рис. 3. CP-преобразование распада 60Co

Комбинированная чётность, CP-симметрия — это произведение двух симметрий: C — зарядовое сопряжение, которое превращает частицу в её античастицу, и P — чётность, которая создает зеркальное изображение физической системы. Сильное взаимодействие иэлектромагнитное взаимодействие являются инвариантными по отношению к комбинированной операции CP-преобразования, но эта симметрия немного нарушается в процессе некоторых типов слабого распада. Исторически CP-симметрия была предложена Львом Ландаудля восстановления порядка после открытия нарушения пространственной чётности в 1950-е годы. Однако в 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч показали, что CP-симметрия тоже может быть нарушена.

Нейтрино Нейтри́но (итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон) — нейтральная фундаментальная частица с полуцелымспином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробегапорядка 10¹⁸ м (около 100 св. лет). Также известно, что каждую секунду через площадку на Земле в 1 см² проходит около 6·10¹⁰ нейтрино, испущенных Солнцем^[1]. Однако никакого воздействия, например, на тело человека они не оказывают. В то же время нейтрино высоких энергий успешно обнаруживаются по их взаимодействию с мишенями^[2].