Онлайн лекции / 4. Нарушение p-четности в распаде мюона. Эксперимент по определению спиральность нейтрино

Лекция 4

НАРУШЕНИЕ P-ЧЕТНОСТИ В РАСПАДЕ МЮОНА

Спиральности лептонов, впервые наблюдавшиеся в 1957 г. в ядерном β-распаде, были одновременно измерены в распаде пионов и мюонов. Напомним, что пион и мюон распадаются с наибольшей вероятностью по каналам:

,

.

Так как спин пиона равен нулю, векторы спина нейтрино и мюона должны быть антипараллельны, как показано на рис. 1. Если спиральность нейтрино Н= - 1, как в β-распаде, то мюон должен иметь отрицательную спиральность. В последующем распаде мюона спектр позитронов имеет пик в области максимальной энергии, так что наиболее вероятной является показанная конфигурация, при которой позитрон имеет положительную спиральность. В экспериментах положительные пионы распадались на лету, и далее отбирались те из распадных мюонов, которые летели в направлении «вперед» и имели, следовательно, отрицательную спиральность. Они останавливались в поглотителе из углерода, и наблюдалось угловое распределение е⁺ по отношению к начальному импульсу мюона. Спин мюона σ должен быть противоположен импульсу, если не возникает деполяризации мюонов в процессе остановки (именно это происходит в углероде). Наблюдавшееся угловое распределение имеет вид

где - угол между вектором начального импульса мюона и вектором импульса электрона , а = 1 в пределах погрешностей измерений. Для и было получено одинаковое значение . Именно такая форма углового распределения предсказывается V-А-теорией. Измерялась также спиральность электронов (позитронов), показано, что она равна . Время жизни мюона, согласно V-А-теории, равно

где зависимость от массы в пятой степени соответствует правилу Сарджента для трехчастичного распада. Используя измеренные значения , , найдем константу Ферми

,

где учтена малая радиационная поправка (0,5%).

(Рис. 1. Схемы, показывающие направление спина частиц в распадах пиона и мюона в их системах покоя).

(Рис. 2. Спектр электронов, возникающий после остановки положительных пионов, измеренный в эксперименте (Anderson et al.. 1960 г.)).

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СПИРАЛЬНОСТЬ НЕЙТРИНО

Если применить результат из предыдущеё лекции к нейтрино (m = 0), по­лучается, что такая частица должна быть полностью поляризованной, т. е. H=-1. Спиральность нейтрино была определена в классическом и очень красивом эксперименте Гольдхабера с сотрудниками в 1958 г. Этапы этого эксперимента показаны на рис. 3.

1. Ядро ¹⁵²Sm испытывает K-захват и переходит в возбужденное состояние ¹⁵²Sm* с I = 1 (рис. 3, а). Для сохранения углового момента вектор J должен быть параллелен спину электрона, но противоположен направлению спина нейтрино, так что ядро отдачи ¹⁵²Sm* имеет то же направление поляризации, что и нейтрино (рис. 3, б).

2. Далее, в переходе ¹⁵²Sm* ¹⁵²Sm + γ испущенные «вперед» («назад») по отношению к направлению движения ¹⁵²Sm* γ-кванты будут поляризованы в том же (противоположном) направлении, что и нейтрино, как показано па рис. 3, в. Итак, поляризация летящих «вперед» γ-квантов совпадает с поляризацией нейтрино.

3. Следующий заключается в наблюдении резонансного рассеяния γ-квантов в мишени из ^l52Sm. Резонансное рассеяние возможно, если γ-кванты имеют как раз ту частоту, которая нужна, чтобы «поймать» возбужденное состояние:

γ + ¹⁵²Sm ¹⁵²Sm* γ + ¹⁵²Sm.

Чтобы процесс резонансного рассеяния осуществился, энергия γ-квантов с учетом необходимой отдачи ядра должна несколько превышать 960 кэВ. В точности такими свойствами обладают летящие «вперед» γ-кванты, уносящие часть импульса отдачи, связанного с испусканием нейтрино, и поэтому автоматически отбираемые в процессе резонансного рассеяния.

4. Заключительный шаг состоит^- в определении поляризации γ-квантов. Для этого, перед попаданием в поглотитель из ¹⁵²Sm, кванты проходят через намагниченное железо. Электрон железа со спином , противоположным спину фотона, может поглотить единицу углового момента за счет процесса переворота спина; если же спины параллельны, такое невозможно. Это показано на рис. 3, г. Если пучок γ-квантов летит по направлению индукции магнитною поля В, то пропускающая способность стали больше для левополяризованных квантов, чем для правополяризованных.

Схематическое устройство прибора показано на рис. 4. Обращая направление магнитного поля В, можно по изменению скорости счета определить знак поляризации. После учета различных деполяризующих эффектов был сделан вывод, что нейтрино являются левополяризованными частицами.

В заключение приведем установленные значения спиральпости лептонов. испускаемых в ядерном β-распаде:

Частица
Спирильность	+v/c	-v/c	-1	+1

Рис. 3. Основные этапы эксперимента по определению спиральности нейтрино (Goldhaber et al., 1958 г.)

Рис. 4. Схема установки, использованной Гольдхабером и др., в которой γ-кванты от распада ¹⁵²Sm*, образованного в результате K-захвата в ¹⁵²Eu. претерпевали резонансное рассеяние в Sm₂0₃ и регистрировались сцинтиллятором из иодистого натрия и фотоумножителем. Прохождение фотонов через сталь, окружающую источник ¹⁵²Eu, зависит от их спиральности и направления индукции магнитного поля В:

1 — электромагнит; 2—экран; 3 -кольцевой рассеиватель; 4 — фотоумножитель: 5 — счетчик из NaI

НАРУШЕНИЕ P-ЧЕТНОСТИ В РАСПАДЕ Λ-ГИПЕРОНА

Несохранение четности есть общее свойство всех процессов слабых взаимодействий, отнюдь не связанное только с лептонными процессами. Уже упоминался «парадокс тау-тета», связанный с нелептонным распадом каонов в пионы. Другим примером нелептонного распада является распад Λ-гиперона, для которого доминирующие моды распада

.

На самом деле, с небольшой относительной вероятностью Λ-гиперон испытывает и лептонный β-распад .

Нарушение четности можно обнаружить, изучая распад Λ-гиперонов, образованных в процессе ассоциативного рождения

В этом процессе Λ рождается частично поляризованным. Из сохранения четности в таком сильном взаимодействии вытекает, что Л-гиперон должен поляризоваться со спином перпендикулярным плоскости рождения, т. е. поляризация имеет вид , не меняющий знак при инверсии. Заметим, что поляризация в плоскости рождения в общем случае меняет знак при инверсии, что запрещено.

Предсказываемый квантовомеханическими расчётами вид углового распределения пиона (протона):

.

Угол определен по отношению к ; на практике можно измерять его только по отношению к нормали к плоскости рождения, так что, переопределяя с учетом этого, получаем, что угловое распределение принимает вид

.

где Р - средняя поляризация; эксперимент показывает, что . Таким образом, нарушение четности в распаде Λ - проявляется как асимметрия вверх-вниз вылета распадного пиона (или протона) по отношению к плоскости рождения.