Онлайн лекции / 5. Нарушение C – чётности в распаде. CPT – теорема и её основные следствия

Лекция 5

НАРУШЕНИЕ C – ЧЁТНОСТИ В РАСПАДЕ

.

На предыдущей лекции рассматривалось нарушение P – чётности в процессе каскадного распада:

;

.

Рассмотрим распад лептона:

Если лептонный заряд сохраняется, то лептонные заряды лептона и позитрона равны. Следовательно, лептон является антилептоном. Отсюда следует, что нейтрино, возникающее при распаде мезона

является лептоном (оно имеет отрицательную спиральность так же как и нейтрино, образующееся при ядерном K-захвате), а при распаде мезона возникает антинейтрино.

Таким образом, назвав нейтрино лептоном и допустив сохранение лептонного заряда, мы должны приписать частицам следующие лептонные заряды:

Вопрос о спиральности этих частиц может решить опыт. Известно, что в ядерном β-распаде теория двухкомпонентного нейтрино предсказывает две возможности:

1. В β-распаде имеют место V- и A- взаимодействия и испускается нейтрино с отрицательной спиральностью.

2. Осуществляются S-, Т-, Р- взаимодействия, а нейтрино обладает положительной спиральностью.

Наиболее прямые измерения спиральности нейтрино в β-распаде были выполнены Гольдхабером и др. (см. предыдущие лекции), измерившими методом резонансного рассеяния γ-лучей поляризацию нейтрино, испускаемых при захвате K-электронов. Из этих опытов следует отрицательная (левая) спиральность нейтрино, что совместно с опытами по угловой корреляции электрон—нейтрино при β-распаде подтверждает первую предсказываемую теорией возможность.

Зная спиральность нейтрино из ядерного β-распада и воспользовавшись законом сохранения лептонного заряда, мы можем предсказать спиральность частиц, участвующих в цепи - распадов. Действительно, анализ опыта Гарвина и др. с точки зрения представлений двухкомпонентной теории о спиральности легких частиц показывает, что если закон сохранения лептонов справедлив, то электрон из -распада и нейтрино из -распада должны иметь противоположные спиральности. Но нейтрино из -распада есть лептон, в отношении которого опытами Гольдхабера и др. доказана отрицательная спиральность. Это значит, что позитрон из ⁺-распада (электрон из ^--распада) должен иметь обратную, т. е. положительную (отрицательную) спиральность.

Если измерить на опыте спиральность электронов из -распада, то ее совпадение с предсказанной явится подтверждением того, что в распаде легких мезонов и в β-распаде участвуют одни и те же нейтрино, и что при этих распадах выполняется закон сохранения лептонного заряда.

Теперь рассмотрим опыты, в которых была измерена спиральносгь электронов из - распада. Эти опыты основаны на том, что тормозное излучение, испущенное продольно поляризованными электронами, сохраняет спиральность электронов, т. е. имеет круговую поляризацию, направление которой однозначно связано со спиральностью электронов. Направление же круговой поляризации тормозных γ-квантов может быть измерено по комптоновскому рассеянию γ-квантов в намагниченном железе: если γ-кванты распространяются в железе по направлению приложенного поля, то перемена направления поля увеличивает или уменьшает прозрачность железного поглотителя для γ-квантов, в зависимости от направления их круговой поляризации.

Степень продольной поляризации электронов от -распада вычислялась многими. Результат в форме, полученной Юбераллем для теории двухкомпонентного нейтрино:

Здесь λ—параметр асимметрии, θ — угол между спином ( лептона) и направлением вылета электрона. Из этой формулы следует, что если параметр асимметрии ξ = 1, то электроны имеют 100% поляризацию, которая не зависит от угла. Последнее означает, что даже неполяризованные лептоны являются источником полностью поляризованных электронов.

Спиральность электронов, возникающих при -распаде, была измерена с помощью указанной выше методики в работе Каллигэна и др., выполненной на ливерпульском ускорителе, и в работе Мака и др. в Беркли. На рис. 1 приведена схема опыта.

мезоны останавливались в углеродной мишени С, где происходила последовательность -распадов. (При измерении спиральности электрона в мишени останавливались лептоны, возникшие из мезоны при распаде на лету.) Вышедшие из мишени электроны тормозились в свинцовой пластине. Поляризация возникших при этом γ-квантов исследовалась анализатором состоявшим из блока железа, намагничиваемого при помощи катушки, и сцинтилляционного счетчика γ-квантов (Nal), измерявшего прозрачность железного поглотителя при двух про­тивоположных направлениях намагничения — по и против направления распространения γ-квантов. Одна из основных трудностей в этом опыте заключалась в устранении влияния магнитного поля на сцинтилляционные счетчики. С этой целью все умножители были тщательно экранированы мягким железом и μ-металлом, а рассеянное поле магнита вблизи γ-счетчика компенсировалось специальными обмотками, показанными на рис. 1. Проверка показала, что влиянием рассеянного поля на работу фотоумножителя можно пренебречь.

Для градуировки системы Ливерпульская группа воспользовалась тормозным излучением β-частиц Y⁹⁰, о которых известно, что они в высокой степени поляризованы. При градуировке на месте углеродной мишени помещали источник в 150 тс Y⁹⁰ и измеряли спектр импульсов в счетчике γ-квантов при двух направлениях магнитного поля. Полученный результат приведен на рис. 2, где по оси абсцисс отложена величина импульса в счетчике γ-квантов (в МэВ), а по оси ординат—раз­ность отсчетов при противоположных направлениях магнитного поля. Кривая ясно показывает как наличие эффекта, так и его увеличение по мере роста степени поляри­зации γ-квантов с увеличением их энергии. Экспериментальные результаты для - и - лептонов приведены на рис. 3. Здесь по осям отложены те же величины, что и на рис. 2. Мы видим_: во-первых, что эффект магнитного поля существует и что для - и - лептонов он имеет противоположный знак. Интегральный эффект для энергии γ-квантов, больших 12 МэВ, составляет + 4,7 ± 1,2% для - лептонов и —5,6 ± 2,3% для - лептонов. В работе эта же величина для γ-квантов с энергией, большей 8 МэВ, составляет соответственно + 6,1 ± 0,7% и —4,9 ± 1,5%, что согласуется с теоретически ожидаемым значением асимметрии для 100% поляризации электронов. В случае - лептонов прозрачность магнита больше в том случае, когда его северный полюс обращен к источнику γ-квантов. Так как сечение комптоновского рассеяния меньше, если направления спинов γ-кванта и электрона совпадают, этот результат означает, что в данном случае кванты а значит и создавшие их позитроны, обладают положительной спиральностью. Соответственно спиральность электронов от μ-распада отрицательна.

Рассмотренные результаты согласуются, таким образом, со следующими предположениями:

1. справедлива двухкомпонентная теория, в которой нейтрино имеет от­рицательную спиральность;

2. справедлив закон сохранения лептонов;

3. существует универсальное фермиевское взаимодействие с V- и A-вариантами;

4. е⁺ и е^- полностью поляризованы при е-распаде, что говорит о нарушении C – чётности в данной реакции. Рассмотренные опыты показывают, что нейтральная частица, возникающая при распаде мезоны, имеет отрицательную спиральность.

CPT – ТЕОРЕМА И ЕЁ ОСНОВНЫЕ СЛЕДСТВИЯ.

Экспериментальная проверка T-инвариантности вызывает интерес в связи с наблюдаемым нарушением CP-инвариантности при распаде К⁰. Причиной этого является то обстоятельство, что Т- и CP-преобразования связаны знаменитой CPT-теоремой, являющейся одним из важнейших принципов квантовой теории поля. Эта теорема устанавливает, что все взаимодействия инвариантны относительно действия трех операций С, Р, Т, произведенных в любом порядке. Справедливость этой теоремы основана на общих принципах и, по утверждению теоретиков, трудно сформулировать полевую теорию, которая не была бы автоматически СРТ- инвариантной. Однако CPT-теорема не имеет столь солидных экспериментальных оснований, как сохранение энергии, поэтому необходимость экспериментальной проверки этой теоремы очевидна.

Некоторые следствия CPT-теоремы можно проверить экспериментально путем сравнения свойств частиц и античастиц, которые должны иметь одинаковые массы и времена жизни, а магнитные моменты должны быть равны по величине и противоположны по знаку. Эти результаты должны следовать из зарядовой инвариантности самой по себе, если бы она была универсальна. Однако слабые взаимодействия не являются С-инвариантными, поэтому эти предсказания имеют отношение к более фундаментальной теореме.

Экспериментально CPT-теорема, кажется, довольно хорошо подтвержденной (табл. 1). Лучшие экспериментальные ограничения получены из сравнения масс К° и .

Другой особенностью CPT-теоремы является утверждение, что частицы должны обладать «нормальным» соотношением спин—статистика, т. е. частицы с целым (полуцелым) спином должны подчиняться статистике Бозе (Ферми).

Вплоть до 1964 г. считалось, что все типы взаимодействий инвариантны относительно комбинированной операции СР. Было также известно, что слабые взаимодействия, нарушая С- и Р-инвариантность по отдельности, также СР- инвариантны. Однако Christenson et. al., 1964 г. нашли, что долгоживущий нейтральный К°-мезон, который нормально распадается за счет слабого взаимодействия на три пиона, имеющие собственное СР-значение —1, может иногда (с вероятностью 2-10^-3) распадаться на два пиона, имеющие СР — +1.

Происхождение CP-нарушения не установлено до сих пор, хотя оно является особенностью теорий фундаментальных взаимодействий, использующих по крайней мере шесть кварковых ароматов. Если принять теорию «большого взрыва» Вселенной, не имеющей начальной асимметрии, результаты CP-нарушения (Т-нарушения) в настоящее время окружают нас: Вселенная развивается во времени так, что имеет место колоссальное преобладание материи над антиматерией. Как указывалось выше, величина CP-нарушения очень мала и до сих пор (и, возможно, и в будущем) наблюдена в эксперименте только в системе К° , являющейся очень точным «интерферометром». Были сделаны также попытки обнаружить T-нарушение в других процессах.