Элементарные частицы. Симметрии.

Зарядная симметрия. Необычность слабых взаимодействий состоит в том, что в них обнаружилось нарушение законов, которые в других явлениях действовали неуклонно и представлялись нам почти очевидными свойствами мира. Когда-то в бета-распаде хотели обнаружить нарушение закона сохранения энергии. Но вместо этого открыли нейтрино, которое, ускользая от наблюдателя, уносило с собой энергию. Необычность слабых взаимодействий оказалась связанной с очень тонкими свойствами самих частиц, например, с их симметриями, и в частности с зарядовой симметрией (С-симметрия).

Уже в самые первые годы развития квантовой механики было обнаружено, что любое уравнение для заряженной частицы, которое удовлетворяло бы требованиям теории относительности, обладает решениями, описывающими частицы обоих знаков. Нельзя написать уравнение только для электронов — оно же будет описывать и позитроны. В дальнейшем оказалось, что частицы обоих знаков есть не только на бумаге, но и существуют на самом деле dom-evp.com. Сначала был открыт позитрон. Пионы и ц-мезоны сразу были открыты парами. Когда же после долгих поисков были наконец обнаружены антипротон и антинейтрон, существование античастиц стало признанным законом природы. Все частицы либо существуют в природе парами, либо являются истинно нейтральными и ни в каких процессах не обнаруживают предпочтения к какому-либо знаку заряда. Если бы мы потеряли возможность измерять электрический заряд, то мы просто не нашли бы разницы в обоих распадах. Такая симметрия и называется зарядовой.

Пространственная симметрия.  Если частица не имеет структуры, если она не имеет размеров, то естественно представлять ее точкой или очень маленьким шариком. Но мы уже знаем, что о нейтрино нельзя рассказывать как о шарике: оно крутится, как левый винт.

В этом последнем утверждении надо обратить внимание на то, что все нейтрино похожи именно на левый винт. Правых нейтрино нет, так же как нет левых антинейтрино.

Направление вращения нейтрино служит признаком, по которому можно отличать его от антинейтрино. Для этой цели у заряженных частиц служит заряд, у нейтрона— барионный заряд. Для нейтрино, лишенного всех этих атрибутов, природа заготовила совсем новое решение. Интересно, что такое решение можно было осуществить только для частицы без массы. Электрон, например, не мог бы иметь спин, всегда направленный по или против движения.

Предположим, что электрон похож на правый винт, то есть, если на него смотреть сзади, так, чтобы электрон улетал от наблюдателя, то он вращается по часовой стрелке. Пока электрон летит впереди, он, с точки зрения наблюдателя, будет вращаться вправо. Но вот мы его перегнали… Обернувшись назад, мы увидим, что электрон отстает от нас и вращается теперь уже влево. Ничего с ним не произошло, а направление вращения изменилось на обратное. С обычным винтом такое произойти не может. В нем направление оси выделено формой винта. У электрона нет формы — и направление выделяется движением. Свойство электрона вращаться вправо или влево нельзя даже хорошо сформулировать – для одного наблюдателя он будет представляться правым винтом, а для другого — левым. Посмотрите на часы, которые висят на улице, — у них с двух сторон разные циферблаты. А нельзя ли сделать один прозрачный циферблат? Представьте себе такие часы, и вы поймете, что нельзя сказать, в какую сторону вращается электрон.

Почему же это можно говорить о нейтрино? По одной только причине — нейтрино движется со скоростью света, и его никто не может обогнать. Мы, так сказать, видим нейтрино всегда с одной стороны. Последнее выражение тоже условно. Нейтрино не излучает света, и видеть нейтрино нельзя — можно регистрировать только его рождение и гибель. А что делает нейтрино между этими важными для него событиями? II можно ли все же спросить, почему все нейтрино вертятся влево?

Стрелки часов ходят «по часовой стрелке» просто потому, что часы так сделаны: можно было сделать и наоборот. Земля вращается вокруг своей оси, как правый винт, по каким-то причинам, связанным с рождением солнечной системы; в других планетных системах планеты могут вращаться и наоборот. Даже в солнечной системе есть примеры обратного движения: Феба, девятая луна Сатурна, движется с запада на восток. Четыре луны Юпитера'(из двенадцати) также движутся «задом наперед».

Нейтрино рождается в разных процессах, условия его рождения разные, но всегда нейтрино появляется на свет «левым». Значит, это его свойство не связано с процессом рождения. И мы не знаем, почему это так. Люди, как правило, лучше работают правой рукой, и мы уверены, что это связано с процессом эволюции. У нейтрино нет эволюции. Ответа на вопрос «Почему нейтрино «левша»?» у нас нет. Физики столкнулись здесь с пространственной несимметрией мира, и мы не знаем, может существовать мир более симметричный, чем наш, или не может.

СР-симметрия.  Итак, нейтрино «левое», а антинейтрино «правое». Это свойство нейтрино все же отражает глубокую симметрию. Симметрия эта не геометрическая; мы не можем, вращая нейтрино, превратить его в антинейтрино. Это можно сделать только, если отразить мир в зеркале. Если бы такая операция была возможна, если мы могли бы превратить левую туфлю в правую (это великое изобретение попутно упростило бы производство обуви!), то направление вращения нейтрино изменилось бы на обратное.

Итак, зеркальное изображение нейтрино есть антинейтрино. Такая симметрия называется CP-симметрией, или комбинированной симметрией. Почти все явления в нашем мире обладают такой симметрией. Это значит, что если мы наблюдаем какой-то процесс с элементарными частицами, то существует (и его в принципе можно наблюдать) процесс СР-симметричный.

Например, если нейтрон распадается в магнитном поле, то электроны летят преимущественно против направления поля. Это значит, что при распаде антинейтрона позитроны будут летать преимущественно по направлению поля. Отсюда возникает правило: если в некотором утверждении о свойствах частиц заменить частицы на античастицы и наоборот, а также изменить вращение на обратное и изменить направления магнитных полей на обратные, то новое утверждение будет истинным, если истинно исходное.

Заметим еще, что истинно нейтральные частицы совпадают со своими зеркальными изображениями. В этом смысле истинно нейтральные частицы похожи не на туфли, а на чулки.

Временная симметрия.  Самая трудная для понимания симметрия это временная, или Г-симметрия. Есть простое свойство нашего мира, известное еше в классической механике,— обратимость явлений. Любое движение в механике можно обернуть. Можно изменить скорость частиц на обратную, и система начнет двигаться в обратную сторону, благополучно возвращаясь в исходное состояние. Такое утверждение, конечно, противоречит всему, что мы видим вокруг: в любом реальном явлении растет энтропия (из-за трения или из-за чего-либо другого), и вернуть прошлое нельзя. Но наш ум уже привык к абстракции, мы легко представляем себе людей на «обратной» стороне Земли, нам нетрудно представить себе и мир без трения. Поэтому мы без труда представляем себе тот мир без трения, в котором верны уравнения механики.

Уравнения механики в этом мире симметричны во времени. Можно сказать иначе. Никакие механические опыты (то есть с системами без трения) не могут определить направление времени. Такая симметрия в конце концов связана с законом сохранения энергии, и она существует и в механике квантовой. Переносится ли она и в микромир?