Страница 5 из 81
7. Произведение токов приводит к мюонным распадам странных частиц с изменением странности:
L ® р + m- + , å- ® n + m- + ,
К+ ® m+ + nm , К+ ® m+ + nm + p
и т. д., подчиняющихся тем же правилам отбора, что и соответствующие электронные распады (см. пункт 4). Кроме того, оно ответственно за нейтринные реакции, в которых рождаются одиночные странные частицы.
8. Произведение токов приводит к слабым ядерным силам, не сохраняющим, в отличие от обычных ядерных сил, пространственную чётность (Р ). Такие районечётные силы, предсказанные теорией, были обнаружены на опыте Ю. Г. Абовым, П. А. Крупчицким, В. М. Лобашёвым, В. А. Назаренко и др. (СССР).
9. Произведение ответственно за многочастичные нелептонные распады странных частиц: L ® р + p , å+ ® n + p+ , ® L + p- , W- ® L + К- , W- ® + p , К° ® p+ + p- , K+ ® p+ + p+ + p- . Во всех этих распадах DS = ± 1 и, кроме того, DТ = 1 /2 .
10. Произведение даёт вклад в районечётные ядерные силы (см. пункт 8).
Рассмотренное выше выражение, описывающее С. в., не объясняет два явления: 1) нарушение СР-инвариантности, обнаруженное в 1964 в эксперименте Дж. Кристенсена, Дж. Кронина, В. Фитча и Р. Тёрли (США); 2) нейтральные нейтринные токи, обнаруженные в 1973 в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований ).
Экспериментальное исследование СР-неинвариантных эффектов в распадах нейтральных К-мезонов на два p-мезона, на pene и на pmnm привело к выводу, что СР-неинвариантное взаимодействие является либо миллислабым (т. е. в 1000 раз слабее обычного С. в.), либо сверхслабым (в миллиард раз слабее обычного С. в.). Для выяснения природы СР-неинвариантного взаимодействия было бы крайне важным найти какой-либо СР-неинвариантный процесс не в распадах нейтральных К-мезонов, а в распадах или взаимодействиях др. частиц. В частности, большой интерес представляют поиски дипольного момента нейтрона.
Нейтральные нейтринные токи обнаружены при взаимодействии мюонных нейтрино и антинейтрино с нуклонами: nm + n (р) ® nm + адроны, + n (р) ® + адроны. Сечения этих реакций составляют соответственно примерно 0,2 и 0,4 от сечений аналогичных реакций, протекающих под действием заряженного тока. Открытие нейтральных токов означает, что теория С. в., созданная в 1957, должна быть существенно модифицирована. В действительности такая модифицированная теоретическая модель С. в., содержащая нейтральные токи, была предложена ещё в 1967 С. Вайнбергом (США) и А. Саламом (Пакистан), и она в значительной степени стимулировала поиски нейтральных токов. В основе этой модели и её различных позднейших вариаций лежит гипотеза о том, что С. в. представляет собой не контактное взаимодействие токов, а осуществляется путём обмена промежуточными векторными бозонами (W ) — тяжёлыми частицами со спином 1. Гипотеза о том, что переносчиками С. в. являются векторные бозоны, делает более полной аналогию с электромагнитным взаимодействием, из которой исходил Ферми. Чтобы убедиться в этом, достаточно сравнить рис. 2 , 3 и 7 . Действительно, роль промежуточного фотона на рис. 2 играет промежуточный бозон W на рис. 7 . Из неопределённостей соотношения следует, что, для того чтобы обеспечить малый радиус С. в., масса промежуточного бозона MW должна быть достаточно велика. Расстояние, которое проходит виртуальный промежуточный бозон, порядка /MW c. В основе модели Вайнберга — Салама лежит идея о единой природе слабого и электромагнитного взаимодействий. При этом предполагается, что взаимодействие W-бозона со слабым током по силе такое же (более точно, примерно такое же), как взаимодействие фотона с электромагнитным током: в обоих случаях сила взаимодействия определяется электрическим зарядом е. Фермиевская константа является величиной вторичной и выражается через a и M:
.
В модели Вайнберга — Салама промежуточных бозонов три: два заряженных, W+ и W- , и один нейтральный, Z . Эти частицы, согласно расчётам, должны быть в десятки раз тяжелее протона (MW ³ 40Mp , MZ ³ 80Mp ). Характерная величина массы этих бозонов получается из величины константы С. в. G постоянной тонкой структуры a = 1 /137 , характеризующей электромагнитное взаимодействие частиц (). То обстоятельство, что в теорию существенным образом входит a, отражает очень важное свойство теории: она является единой теорией слабого и электромагнитного взаимодействий. При этом промежуточные бозоны и нейтральные токи необходимы для того, чтобы теория была непротиворечивой.
Как отметил ещё в 1936 В. Гейзенберг , контактное взаимодействие фермиевских токов приводит к очень сильному росту С. в. на малых расстояниях. Позднейшие теоретические исследования показали, что теория такого взаимодействия неперенормируема: содержит бесконечное число бесконечных величин. В отличие от контактной фермиевской теории и от теории с одними лишь заряженными промежуточными бозонами, теория, содержащая симметричным образом заряженные и нейтральные бозоны и токи, перенормируема. Она содержит лишь несколько бесконечно больших величин, от которых можно избавиться с помощью операции, называемой перенормировкой (см. Квантовая теория поля ).
Промежуточные бозоны (W + , W- , Z ) — нестабильные частицы. Т. к. их масса очень велика, то для их образования нужны очень высокие энергии, недоступные современным ускорителям.
Очень важный вопрос в модели Вайнберга — Салама — вопрос о нейтральных токах, меняющих странность, которые на опыте на много порядков подавлены по сравнению с заряженными токами и с нейтральными токами, сохраняющими странность. Например, распад долгоживущего нейтрального К-мезона: ® m+ + m- подавлен по сравнению с распадом К+ ® m+ + nm в 108 раз, а верхний предел для распада K+ ® pm + nm + составляет примерно 10-7 от полной вероятности распада К-мезона. О ещё более сильной подавленности нейтральных токов, изменяющих странность, свидетельствует наблюдённая на опыте малая величина разности масс долгоживущего и короткоживущего нейтральных К-мезонов; такая разность масс возникает за счёт перехода К Û и была бы очень большой, если бы существовало прямое взаимодействие нейтральных токов . Для того чтобы в рамках теории объяснить отсутствие нейтральных токов с изменением странности, было постулировано, что наряду с тремя кварками р, n, l существует четвёртый кварк с , который получил назв. «очарованного», или «суперзаряженного». При этом заряженный адронный ток, взаимодействующий с W-бозонами, имеет вид: