Онлайн лекции / 6. Поиск нарушения T-четности в распаде нейтрона и каона. Электрический дипольный момент нейтрона

Лекция 6

НАРУШЕНИЕ CP И ПОИСК НАРУШЕНИЯ T-ЧЕТНОСТИ В РАСПАДЕ НЕЙТРОНА И КАОНА.

Бета-распад нейтрона. За всё время, прошедшее с момента открытия бета-распада нейтрона сделано множество экспериментальных работ, в которых изучался этот элементарный процесс ядерного бета-распада

В этих работах измерялись следующие характеристики бета-распада нейтрона:

1. время жизни свободного нейтрона:

2. угловая корреляция между направлениями вылета электрона и антинейтрино — константа a;

3. угловые корреляции в распаде поляризованных нейтронов:

1. σр_е — константа А,

2. σp_v — константа В,

3. σ[р_е p_v] — константа D.

После 1970 г. получены следующие новые результаты измерений:

1. В Австрии Доброземским и др. получено новое значение константы а² методом измерения суммарного спектра протонов отдачи. Результат — а = —0,099 ± 0,011.

2. Проведены два измерения электрон-спиновой корреляции (константа А) в Аргоннской лаборатории (США) и в Институте Атомной энергии им. И. В. Курчатова:

А = —0,110 ± 0,008, А = —0,115 ± 0,006.

3. Сделаны еще две попытки обнаружить Т-нечетную корреляцию (измерение константы D) в ИАЭ им. И. В. Курчатова и в Институте Лауэ — Ланжевена в Гренобле (Франция) соответственно:

D = —0,0027 ± 0,0033, D = —0,0011 ± 0,0017.

Значения фазового угла между константами G_A и Gv, которые получаются из этих измерений, следующие соответственно:

θ = (180,35 ± 0,42)° из данных, θ = (180,14 ± 0,22)° из данных .

Уместно отметить, что в последней работе Принстонской группы, в которой измерялась аналогичная Т-нечетная корреляция в бета-распаде Ne¹⁹, получен рекордный по точности результат:

θ = (179,94 ± 0,11)°.

Все это свидетельствует о том, что, по-видимому, в слабом взаимодействии, ответственном за бета-распад ядер, нет нарушения T-четности (во всяком случае такого масштаба, как обнаруженное в распаде T-мезонов).

Средневзвешенные значения констант угловых корреляций А, В и а по всем проведенным измерениям равны соответственно

А = -0,1139 ± 0,0040, В = 0,995 ± 0,028, а = —0,0985 ± 0,0097

Вычисленное на основе этих величин усредненное значение G_A/G_V равно:

G_A/G_V =-1,259 +0,009,

что хорошо согласуется со значением G_A/G_V, полученным на основе данных об (fτ) нейтрона и (fτ) 0 0 переходов:

G_A/G_V = —1,245 ±0,011.

Усредненные значения констант А, В и а вполне хорошо согласуются с требованиями, вытекающими из V — A-варианта теории, а именно, чтобы 1+A = В + а и А² + А = Ва⁸, однако, тем не менее существующие точности в знании констант, в особенности нейтринных угловых корреляций, пока недостаточны, чтобы можно было исключить довольно значительные вклады S- и T-вариантов (на уровне 25—30% от соответственно V- и А -вариантов).

Дальнейший прогресс в точности измерения константы электрон-спиновой корреляции позволит также попытаться обнаружить эффекты слабого магнетизма и токов второго рода в бета-распаде нейтрона, что, несомненно, представляло бы значительный интерес. Для этого нужно, чтобы был исследован ход константы А от энергии электронов распада, т. е. измерена величина dA/dE с точностью не менее 10^-3 МэВ^-1.

Нарушение СР-чётности в распаде К°

После открытия в 1957 г. несохранения четности в процессах слабых распадов в течение некоторого времени считалось, что слабые взаимодействия по крайней мере инвариантны относительно СР-преобразования. Однако в 1964 г. Кристенсон, Кронин, Фитч и Тэрли впервые экспериментально доказали, что долгоживущее состояние, названное нами К₂, может распадаться на π⁺ π^- с относительной вероятностью порядка 10^-3. Экспериментальная установка Кристенсона и др. показана на рис. 1. Названия К₁ (для состояния с СР= +1) и К₂ (СР= — 1) были, естественно, заменены на K_s (короткоживущая компонента) и K_L (долгоживущая компонента). Приведенные выше аргументы, касающиеся регенерации и разности масс, вытекающие из принципа суперпозиции, сохраняют свою силу. Мерой степени нарушения СР обычно считают отношение амплитуд (A):

Состояние K_s содержит главным образом амплитуду с СР= +1 и лишь малую примесь амплитуды с СР= — 1, а состояние K_L — наоборот. Поскольку и K_s и K_L распадаются на два пиона, следует ожидать эффектов интерференции в π⁺ π^--сигнале, которые будут функцией временной эволюции первоначально чистого К-пучка.

Экспериментальная установка (Christenson et al., 1964 г.), на которой был обнаружен распад K_L → π⁺ π^-. Пучок К⁰ входит в установку слева и состоит только из K_L, так как K_S- компонента уже вымерла. Распады K_L наблюдаются в гелиевом мешке, заряженные продукты распада анализируются двумя спектрометрами, состоящими из отклоняющих магнитов и искровых камер, со сцинтилляторами в качестве триггеров. Редкие двухпионные события выделяются на фоне обычных трехпионных и лептонных распадов с помощью анализа по инвариантной массе пары и направлению θ их результирующего вектора импульса по отношению к направлению начального пучка (а). Распределение по cosθ для событий с инвариантной массой в интервале 490<M_ππ<510 МэВ (гистограмма из сплошных линий). Распределение совпадает с тем, которое ожидается для трехчастичных распадов (штриховая гистограмма, полученная расчетами по методу Монте-Карло), однако имеется примерно 50 событий (заштриховано), точно коллинеарных пучку и обязанных моде распада на π⁺ π^- (б). Используемые обозначения:

СР-неинвариантность проявляется также в лептонных модах распада K_L. Речь идет о распадах

и аналогичных распадах с заменой электронов на мюоны.

Распады переходят друг в друга под действием операции СР, так что, если CP-инвариантность нарушается, следует ожидать небольшой зарядовой асимметрии:

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬНЫЙ МОМЕНТ НЕЙТРОНА

Существование электрического дипольного момента означало бы нарушение как T-, так и Р-инвариантности. Поскольку дипольный момент можно измерить с большой точностью, это является чувствительным тестом T-инвариантности. Перед тем как описывать эксперимент по измерению электрического дипольного момента (ЭДМ) нейтрона, попробуем оценить величину эффекта, пользуясь лишь соображениями размерности.

Можно записать:

ЭДМ = заряд (е) х длина (l) х параметр T нарушения (f).

Нейтрон не имеет заряда, поэтому дипольный момент может быть следствием асимметрии между облаками положительного и отрицательного зарядов (в целом равного нулю) по отношению к направлению спина σ (рис. 2). Поскольку Р-инвариантность также нарушается, мы должны как-то привлечь слабое взаимодействие; естественный масштаб длины в слабом взаимодействии l=GM, где М—некоторая масса, за которую естественно выбрать массу нуклона М, a G=10^-5/М² — константа слабого взаимодействия. (Мы здесь используем единицы h = c= 1.) Тогда

где 1 /М—комптоновская длина протона /Mc = 2 • 10^-14 см. Какое нам взять значение для f? Для сохраняющих четность электромагнитных взаимодействий из СРT-теоремы следует, что если T-инвариантность нарушается, это означает нарушение С-инвариантности; тогда из результатов по распаду η-мезона следует, что f<10 . Другим выбором параметра T-нарушения является K⁰-распад, тогда f< 10^-3. В любом случае мы можем ожидать величину ЭДМ порядка 10^-22е. Следует отметить, что эффективная длина диполя очень мала по сравнению c размером элементарной частицы (около 10^-13 см).

В эксперименте Dress et. al., 1968 г. использовался реактор как источник тепловых нейтронов. Для увеличения чувствительности эксперимента нейтроны были «охлаждены» за счет пропускания через узкую изогнутую трубу из тщательно полированного никеля с радиусом кривизны 1 м (рис. 3). Критический угол для полного внутреннего отражения в трубе обратно пропорционален скорости нейтрона, поэтому через трубу проходят с высокой интенсивностью нейтроны малых скоростей, образуя пучок с ограниченной расходимостью. Пучок, прошедший через трубу, падает затем на поляризованную мишень, состоящую из полированного намагниченного зеркала из железно-кобальтового сплава, в котором направление магнитной индукции В нормально к поверхности. Полное внутреннее отражение нейтронов происходит при углах падения (относительно поверхности), меньших критического угла θ_С, где

Здесь λ, T и μ — длина волны, кинетическая энергия и магнитный момент нейтронов соответственно; п — коэффициент преломления зеркала; N—число рассеивающих ядер в единице объема; а — длина когерентного ядерного рассеяния. Благодаря второму члену в θ_С зависит от знака μ и, следовательно, от направления спина нейтрона. Таким образом, можно выбрать угол рассеяния, при котором пучок нейтронов будет иметь поперечную поляризацию. В типичном случае для нейтронов со скоростью w=100mc^-1 (температура 1 К) θ = 2° выделяет пучок с поляризацией 70%.

После прохождения спектрометра нейтроны отражаются от анализирующего магнита (аналогичного поляриметру) и регистрируются в детекторе, представляющем собой содержащий ⁶Li стеклянный сцинтиллятор, чувствительный к нейтронам. Интен­сивность проходящих нейтронов I максимальна для нейтронов, которые не испытывают деполяризацию в спектрометре.

Спектрометр состоит, во-первых, из однородного магнитного поля H(H ≈ 10 Гс), которое заставляет спины нейтронов прецессировать с ларморовой частотой v_L = μH/h, где μ — магнитный момент нейтрона (v_L ≈ 25 кГц). Во-вторых, используется радиочастотное поле частоты v, создаваемое с помощью двух катушек, так что при резонансе (v = v_L) происходят переходы с переворотом спина нейтрона и нейтронный пучок частично деполяризуется; при этом изменяется интенсивность прохождения нейтронов I. Две катушки используются для того, чтобы создать эффект интерферометрии, когда возникает несколько максимумов и минимумов на резонансной кривой (рис. 4) и имеет место быстрое изменение скорости счета как функции радиочастоты. Наконец, применяется электрическое поле Е= 100 кВ/см различной полярности, направленное в направлении магнитного поля Н.

Эксперимент состоит в измерениях интенсивности нейтронов в области резонансной кривой, где dI/dv велико, и наблюдении изменения I при изменении полярности электрического поля. Если нейтрон обладает электрическим дипольным моментом в направлении его спина, то поле Е будет создавать дополнительную малую прецессию и соответствующие изменения в I, когда частота v поддерживается постоянной. Величина dl/dv пропорциональна времени, затрачиваемому нейтроном на пролет между катушками и, таким образом, имеет наибольшую величину для большого расстояния между катушками и для случая малой скорости нейтрона — в этом преимущество использования «холодных» нейтронов. Результат последней версии эксперимента (Dress et. al., 1978 г.) устанавливает предел на электрический дипольный момент

Отметим, что одним из ограничений эксперимента является трудность получения точно параллельных полей Е и Н. Если существует малая компонента Е_┴, перпендикулярная Н, это индуцирует дополнительное магнитное ноле ΔH=(v/c)E_┴ в на­правлении Н, создающее ложный эффект.

Для ультрахолодных нейтронов (Т=0,002К, v≈6 м*с^-1) θ_С,. может превысить π/2, при этом нейтроны могут отражаться и при нормальном падении. Такие нейтроны могут быть захвачены и накоплены в магнитных «бутылках», это позволяет сделать измерения более длительными и более точными при определении ЭДМ. Самые последние результаты с использованием этой техники — результаты Алтарева и др., 1981 г.:

и Pendlburi et. al., 1984 г.:

Обзор последних измерений электрического дипольного момента нейтрона и других частиц дан в работе Ramsay, 1982 г.

Теоретические оценки ЭДМ варьируются на много порядков величины. Так как нет прямых указаний С-нарушения в электромагнетизме, обычно предполагается, что ЭДМ нейтрона связан с CP-нарушением, таким, которое наблюдается в К°- распаде. Это приводит к предсказаниям в области 10^-30е см для так называемой стандартной модели с шестью кварковыми ароматами, но при других предположениях возможны большие значения ЭДМ. Ясно, что будущие эксперименты по измерению электрического дипольного момента будут иметь фундаментальную значимость для нашего понимания СР-нарушения.