Принципы симметрии в физике элементарных частиц - Гибсон У.
Скачать (прямая ссылка):
150
трино — только в состоянии положительнЬй спиральности. Эти предположения подтверждаются изучением ц±-распада. Чтобы лептонное число сохранялось, в распаде мюонов должны испускаться нейтрино и антинейтрино вместе:
¦ е+ -f v -f v.
(5.85)
энергией, показана на
е+
Проверим с помощью наблюдений над мюонным распадом некоторые следствия, вытекающие из сделанного предположения о лептонных числах и спиральностях нейтрино.
Измеренный [15] энергетический спектр позитронов имеет резко выраженный максимум в .верхней части области (максимальная кинематически разрешенная энергия есть ?Макс = = (/п2 + т2)/2/Лц). Конфигурация, соответствующая испусканию позитрона с максимальной рис. 5.7, где две безмассовые частицы выходят в одном и том же направлении с одинаковыми импульсами. Если бы оба нейтрино были тождественными, эта конфигурация была бы невозможна из-за принципа запрета Паули, и спектр позитронов при -Смаке обращался бы в нуль (считаем, что нейтрино имеет спин 1/2 и подчиняется статистике Ферми). Итак, мы пришли к выводу, что эти нейтрино различны и представляют собой ней-трино и антинейтрино с отрицатель-ной и положительной спиральностью соответственно. Более того, это электронное нейтрино Ve и мюонное антинейтрино Гц.
Как мы уже видели, распад мюонов — естественный источник поляризованных мюонов, которые могут останавливаться в некоторых материалах (например, в углероде), не деполяризуясь. Результирующее угловое распределение позитронов имеет максимум в направлении, противоположном линии полета остановившихся ц,+. Так как (<VPe> 7^ О, то асимметрия подтверждает нарушение четности при распаде мюонов (см. [80, 81]).
Итак, остановившиеся ц+ имеют яость, поэтому позитроны испускаются в основном в направлении спина |л+. Эта благоприятная конфигурация показана на рис. 5.7, а. Два нейтрино не уносят момента количества движе-
И
Рис. 5.7. Две конфигурации Ц±-распада, в которых позитрон обладает максимальной энергией и испускается параллельно (а) или антипараллельно (б) спину зона
отрицательную спираль-
151
ния вдоль вектора импульса, поэтому чтобы момент количества движения сохранился, спиральность позитрона должна быть, положительной.
Попытаемся объяснить тот факт, что конфигурация а предпочтительнее конфигурации б, в которой позитрон испускается в направлении, противоположном спину, т. е. отрицательной спиральностью. Электроны с максимальной энергией являются в большой степени релятивистскими частицами. Если бы было можно совершенно пренебречь их массой, то они вели бы себя как нейтрино. Позитрон — это антилептон, поэтому он, подобно антинейтрино, предпочел бы состояние с положительной спиральностью. С учетом сказанного и закона сохранения момента количества движения мы убедились в предпочтительности конфигурации а.
Однако позитрон существует в двух состояниях спиральности. Более точные аргументы, использующие лоренц-инвариант-ное взаимодействие полей электрона и нейтрино, показывают, что амплитуды испускания позитронов в состояниях с положительной и отрицательной спиральностями находятся в отношении
[(? 4- р)/2?]‘/*: [(? — р)/2?]*/*.
Если Е^>те, то ?~|р|, и мы опять приходим к сделанному выше выводу.
Это верно для любого состояния поляризации мюонов. Следовательно, можно предсказать, что позитроны от распада не-поляризованных мюонов должны обладать положительной спиральностью, Проведенные эксперименты [53, 132] подтверждают это.
Таким образом, в случае отрицательных мюонов имеет места преимущественное испускание электронов от поляризованных |лг-мезонов в направлении, обратном поляризации (|лг-мезоны получаются в результате распада лг-мезона), и спиральность
должна быть отрицательной, что и наблюдалось в эксперименте [132].
В заключение этого раздела рассмотрим, как Гольдгабер, Гродзинс и Суньяр [90] прямым способом измерили спиральность нейтрино (см. также [89]).
Предположим, что бесспиновое ядро А испытывает Х-захват и превращается в возбужденное состояние ядра В* со спином, равным единице. Это возбужденное состояние ядра, в свою очередь, распадается в основное состояние В с нулевым спином;
+ ЛЯ* + v, В'-^В+у.
Для тех случаев, когда фотон испускается вдоль направления отдачи ядра В* (противоположного направлению нейтрино) v сохранение компоненты момента количества движения вдоль
152
этого направления приводит к корреляции спиральности фотона 7^у и спиральности нейтрино Kv ¦ Единственный вклад в начальный момент количества движения в этом случае дает спин электрона, поэтому + 1/2 = Отсюда следует, что Ху ~
= 2av , так как спиральность Av =0 запрещена. Таким образом, фотоны, испускаемые вдоль направления отдачи ядра В*, должны быть на 100% поляризованы. Хотя нейтрино и не наблюдается, желаемые события можно отобрать с помощью следующего остроумного метода. Можно показать, что если последовательность А-+В*-+В такова, что импульс отдачи ядра В* (т. е. энергия нейтрино) приближенно равен разности энергий АМс2 между В* и В, то те фотоны, которые испускаются в направлении, противоположном направлению вылета нейтрино, обладают, энергией, в точности равной энергии, необходимой для резонансного перерассеяния на вторичной мишени, состоящей из ядер В:
