Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
7г~ и тг+ для заряженных пионов. Частицы, у которых отсутствуют какие-
либо заряды, такие как 7 и пион 7г°, являются античастицами сами к себе.
Их называют самосопряженными. Обозначение пар частица-античастица
восходит к квантовой теории Дирака для релятивистского электрона. Из этой
теории, после некоторой первоначальной путаницы, ясно следовало равенство
двух масс. Последующее развитие квантовой электродинамики автоматически
привело к далеко идущей симметрии, известной как инвариантность
относительно сопряжения заряда. Она стала восприниматься как общий
принцип для физики субъядерных частиц. Зарядовая инвариантность
предполагает, что законы природы инвариантны относительно замены частиц и
античастиц. Для большей наглядности можно сказать, что этот принцип
инвариантности предполагает, что поперечное сечение для любого процесса
столкновения или скорость любого
178
Глава 8
процесса распада не изменяются, если все участвующие в нем частицы
заменить на античастицы (частица на античастицу, или наоборот). Так, для
процессов тг + р ^ тг° + п и тг+ +р ^ тг° + п можно предсказать одно и то
же поперечное сечение. При этом мы использовали то, что 7г° при
сопряжении не меняется, поскольку он является самосопряженной частицей.
Как и для принципов симметрии относительно преобразований четности и
обращения времени, мы знаем, что инвариантность относительно зарядового
сопряжения выполняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но
нарушается в слабых. Инвариантность относительно преобразований четности
и зарядового сопряжения была установлена в 50-е годы XX века, а для
обращения времени - спустя почти десятилетие. Важно то, что, хотя
четность Р, обращение времени Т, и зарядовое сопряжение С при слабых
взаимодействиях нарушаются, комбинированная симметрия СРТ остается.
Действительно, ее выполнение заложено глубоко в основах квантовой теории
поля. Помимо всего прочего, она гарантирует равенство масс и времен жизни
для частиц и античастиц.
Сильные, электромагнитные, слабые взаимодействия
В этом разделе мы дойдем до кварков и глюонов, но сначала остановимся на
частицах, которые действительно можно "наблюдать" и изучать в
лабораториях. Кварки и глюоны дают ключ к разгадке, но они никогда не
появлялись и не наблюдались как отдельные частицы, по крайней мере, до
сих пор.
Распад мюона (мю-лептона) на электрон, нейтрино и антинейтрино происходит
значительно медленнее, чем очень похожий на него распад тау-лептона на
электрон, нейтрино и антинейтрино. Пока что существует хороший довод в
пользу того, что внутренние интенсивности этих реакций одинаковы. Причина
в том, что мю-лептон значительно легче тау-лептона, поэтому при его
распаде выделяется меньше энергии. В общем случае, независимо от того,
рассматривается ли поперечное сечение для случая реакций столкновения или
распада, интенсивность любой конкретной реакции зависит от двух факторов.
Один из них, фактор фазового пространства, определяется энергией,
доступной при реакции. Если доступная энергия мала, то мала и возможность
возникновения реакции. Такой фактор не зависит от деталей
основополагающей теории и легко вычисляется. Другой фактор является
квадратом абсолютной величины того, что в квантовой механике называют
амплитудой перехода. Собственно эта амплитуда перехода и определяет меру
интенсивности реакции. Она существенно зависит от деталей
основополагающей теории.
Уже в середине XX столетия было известно, что появляющиеся реакции частиц
можно разделить в соответствии с их интенсивностью
Свойства и закономерности
179
на три класса: сильные, электромагнитные и слабые. Все это убеждает нас в
том, что все многообразие явлений с частицами может быть сведено к
некоторой основополагающей сущности, основанной на системе трех сил, -
так же, как огромное разнообразие планетарных, космических и бейсбольных
траекторий определяется простым законом гравитации Ньютона. Чтобы быть
более точным, надо заметить, что внутри одного класса тоже может быть
большое разнообразие интенсивностей реакций. Но, вообще говоря,
электромагнитные процессы имеют существенно меньшую амплитуду перехода,
чем сильные процессы. При умеренных энергиях слабые процессы еще меньше
по интенсивности, чем электромагнитные, хотя, как мы будем обсуждать это
дальше, при высоких энергиях они сравниваются. Не вдаваясь в подробности,
рассмотрим несколько примеров из практически неограниченного их числа в
соответствии с этой классификацией:
(i) сильные:
Строго говоря, каждая из трех сил может играть некоторую роль в каждом из
типов реакций. Однако, если сильные взаимодействия позволяют происходить
некоторой реакции, то они преобладают в ней, все остальные приводят лишь
к поправкам (которые нас обычно и интересуют). В этом случае процесс
классифицируется как сильный. Теперь рассмотрим процесс, который не может
происходить только с участием сильного взаимодействия, но может
происходить с помощью электромагнитных сил отдельно, а не в их комбинации
