| ·
Для любознательных |
 |
|||
Введение Мы
живем в мире, состоящем из материи. Но на кончике пера была открыта
и антиматерия. В конце 20-х - начале 30-х годов прошлого века физик-теоретик
Поль Дирак построил теорию релятивистского, т.е. движущегося со скоростью
близкой к скорости света, электрона. Полученное им уравнение естественным
образом описало спин и магнитный момент электрона. Существенной проблемой
оставалось однако то, что волновая функция,
являвшаяся решением этого уравнения, содержала две дополнительные компоненты,
характеризуемые отрицательной энергией. Дирак предположил, что эти состояния
соответствуют частице, подобной электрону, но имеющей положительный
электрический заряд. Сразу постулировать существование антиэлектрона
Дирак не решился. Он предположил, что такой частицей является протон,
а его масса, почти в 2000 раз превосходящая массу электрона, обусловлена
кулоновскими взаимодействиями между многими электронами. Вскоре, в ходе
научной дискуссии, появилось понимание, что протон не может являться
антиэлектроном. Дирак с этими доводами согласился, но указал, что тогда
должна существовать и античастица для протона - антипротон. Уже в начале
30-х годов Дирак предполагал существование антивещества, т.е. атомов,
содержащих антипротоны вместо протонов, а вместо электронов - позитроны. Антиэлектрон
(позитрон) был открыт уже в 1932 году Карлом Андерсоном, который изучал космические
лучи при помощи камеры Вильсона. А в 1934 году супруги Жолио-Кюри обнаружили еще один источник позитронов - β+-радиоактивность.
Существование антипротона было впервые экспериментально подтверждено
лишь в 1955 году в ускорительных экспериментах, а уже в 90-х годах физикам
удалось создать связанное состояние антипротона и позитрона - антиводород.
На сегодняшний день антивещество является самой дорогой субстанцией
на Земле. Останется
ли наш мир таким же, если все частицы заменить античастицами? Как получилось,
что в видимой части Вселенной антивещества практически не наблюдается
(т.н. проблема барионной асимметрии
Вселенной)? Эти вопросы давно волновали физиков. В
теоретической физике операцию, которая переводит частицы в античастицы,
называют зарядовым сопряжением и обозначают буквой
С. Эта операция сохраняет неизменными
пространственные переменные (координаты и импульсы частиц), а также
моменты импульса, спины. Если исследовать распад положительно
заряженного пи-мезона на антимюон и мюонное
нейтрино, то можно заметить, что спин нейтрино направлен по направлению
импульса этой частицы; при этом говорят о положительной спиральности
нейтрино. Если мы применим к этому распаду операцию зарядового
сопряжения, т.е., заменим пи-плюс на пи-минус мезоны, мю-плюс на мю-минус,
а нейтрино на антинейтрино, то положительная спиральность для последнего сохранится. Однако
в экспериментах наблюдаются антинейтрино только с отрицательной
спиральностью. Это значит, что в слабых взаимодействиях зарядовая четность
(С-четность) не сохраняется.
А вот сильные и электромагнитные взаимодействия сохраняют ее. Но не
только зарядовая четность нарушается
при слабых взаимодействиях. Экспериментально обнаружено также нарушение
P-, T-
и CP-четностей в процессах,
происходящих под действием этого вида сил, т.е. эти силы неэквивалентны
относительно операций зеркального отражения (P), обращения времени (T). В
рамках квантовой теории поля Людерсом и Паули
была доказана фундаментальная теорема: «Квантовые
системы инвариантны относительно СРТ-преобразования
(т.е., последовательного применения С-, Р- и Т-преобразований в любой последовательности)». Следствием СРТ-инвариантности
является равенство масс и времен жизни частицы и античастицы. Если в
природе происходит некоторый процесс, то точно с такой же вероятностью
может происходить СРТ-сопряженный
процесс, в котором частицы заменены соответствующими античастицами,
проекции их спинов и импульсов изменили знаки, а начальное и конечное
состояния поменялись местами. Никаких экспериментальных свидетельств
нарушения СРТ-теоремы пока
не обнаружено. Так что мир из антивещества обладал бы такими же свойствами
как мир, в котором мы живем, если бы он был зеркален нашему и время
в нем текло бы вспять по сравнению с нашим. На
сегодняшний день в рамках Стандартной Модели (СМ) известен только один
тип таких процессов -- нарушение СР
в кварковом секторе СМ, т.е. при взаимопревращениях
кварков. Есть еще два потенциально возможных процесса
-- СР-нарушение при смешивании нейтрино и
квантово-хромодинамическое СР-нарушение в сильных взаимодействиях. Проверка СМ в распадах адронов Все
кварковые превращения под действием слабого
взаимодействия, связаны друг с другом посредством матрицы смешивания
или, как ее еще называют, матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы
(ККМ). Первый из этой троицы предложил
такой подход для кварковых переходов,
а другие двое показали в совместной работе в 1974 году, что для СР-нарушения в таких процессах необходимо, как минимум, 3 поколения
кварков с зарядами +2/3 и -1/3. Это довольно смелое предположение было
сделано тогда, когда было известно о существовании только трёх кварков
из необходимых шести. ККМ-матрица состоит из девяти комплексных элементов,
однако, они зависят лишь от четырех вещественных параметров, из них
только один отвечает за нарушение CP-инвариантности. Наиболее
сильно СР-нарушение проявляется
в распадах К-
и В-мезонов. Например, измерения
детектора LHCb на Большом адронном
коллайдере, в которых изучались распады нейтральных
В- и анти-В-мезонов на противоположно заряженные
каон и пион, выявили, что вероятности распадов для частиц
и античастиц разные. ККМ-матрица
связывает между собой все распады адронов под влиянием слабого взаимодействия,
и возникает заманчивая возможность проверить эту связь. Наглядным изображением
таких проверок может служить так называемый треугольник
унитарности. Свойства этого треугольника
(его стороны и углы: α, β, γ) описываются элементами
ККМ-матрицы.
Разными
цветами на этой плоскости обозначены “разрешенные” области для
различных наблюдаемых, полученные в различных экспериментах. Все эти
области должны пересекаться (и действительно пересекаются!) в вершине
треугольника. Так что пока экспериментальных рассогласований нет. Физики
постоянно повышают точность своих экспериментов, тем самым, уменьшая
допустимые области. Но уже сейчас ясно, что обнаруженное нарушение CP-симметрии
в кварковом секторе недостаточно для описания
барионной асимметрии Вселенной. Необходимы более “интенсивные” процессы.
Поиск CP-нарушения в лептонном секторе После
экспериментального обнаружения осцилляций нейтрино, т.е. превращения
на лету нейтрино одного сорта в нейтрино другого сорта, стало понятно,
что СР-симметрия может нарушаться и в процессах
с лептонами. Для
описания нейтринных осцилляций также вводится
матрица, аналогичная ККМ. То, как задаются элементы этой матрицы,
определяется тем, является ли нейтрино античастицей самой себе (как,
например, фотон или Z0-бозон)
или нет. В “минимальном” случае эта матрица по структуре подобна матрице
кваркового смешивания, ее элементы определяются тремя углами
смешивания и одной CP-нечетной
фазой. В настоящее время три угла смешивания довольно точно определены
из экспериментов, и началась охота за фазой. Здесь
необходимы так называемые нейтринные эксперименты с длинной базой. Для
начала нужно получить пучок мюонных нейтрино. Обычно для этого пучок
протонов с энергией несколько ГэВ направляют на массивную мишень, в
результате чего образуется пучок пи-мезонов, которые в свою очередь
распадаются с испусканием мюонов. Одновременно образуются также мюонные
нейтрино, которые могут превратиться в нейтрино электронного типа. Это
можно зарегистрировать детектором,
расположенным на расстоянии несколько сотен километров от источника
направленного на него пучка. Нейтринные превращения (осцилляции) наблюдают
либо посредством прямой регистрации электронных нейтрино, либо через
уменьшение числа мюонных нейтрино по сравнению с
расчетным. Сейчас запланированы и проводятся два эксперимента подобного
типа: T2K (Япония) и NOVA (США). Есть надежда обнаружить лептонное СР-нарушение
уже в ближайшее десятилетие. Нарушение
CP-симметрии и ЭДМ частиц. Экспериментальные
данные говорят сегодня, что в сильных взаимодействиях CP-симметрия не нарушена, частиц рождается
такое же количество как античастиц (конечно, если начальное состояние
симметрично, например, в экспериментах на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон). Сам по себе
этот факт нетривиален, потому что описание динамики систем,
эволюционирующих под действием сильного взаимодействия может
содержать CP-нарушающий вклад. Его характеризуют
параметром, который обозначают греческой буквой θ. Пока остается
неясным, мал ли этот параметр или существуют дополнительные механизмы,
обеспечивающие “компенсацию” его вклада. Отличный от нуля θ-член
КХД приводил бы к появлению электрического дипольного момента (ЭДМ)
у нуклонов (протонов и нейтронов), то-есть
распределения положительного и отрицательного зарядов внутри нуклонов
были бы сдвинуты относительно друг друга. В
экспериментах по измерению ЭДМ элементарных частиц активно участвуют
физики ПИЯФ НИЦ КИ. Общепризнанными мировыми лидерами в измерении ЭДМ
нейтрона является группа профессора Сереброва, работающая в Отделении
нейтронных исследований. Новый амбициозный
эксперимент по изучению ЭДМ протона и дейтрона на накопительных кольцах
запланирован в Юлихе (Германия). В его разработке принимают участие сотрудники
Отделения физики высоких энергий. ЭДМ
нуклонов и других элементарных частиц (даже не принимающих участие в
сильном взаимодействии) может появляться и как следствие эффектов Новой
физики. Поэтому очень важно, если будет получено указание на существование
ненулевого ЭДМ одного типа частиц, проверить
его наличие у частиц других типов. Например, действие θ-члена
КХД привело бы к тому, что ЭДМ протона и нейтрона равны по абсолютной
величине, но имеют противоположные знаки. Большой
прогресс в последние годы связан с измерением ЭДМ электрона. Электрон
- точечная частица, но она окружена “облаком” виртуальных частиц. Свойства
этого облака могут меняться, если в него вносят вклад еще неоткрытые
в прямых экспериментах частицы. Так, вклад этих виртуальных частиц в
ЭДМ электрона мог бы значительно превосходить мизерное и на сегодняшний
день экспериментально недостижимое значение, которое получается из расчетов
СМ. Для измерений ЭДМ электрона используют молекулы с гигантскими внутренними
электрическими полями. Например, в молекуле оксида тория (ThO)
напряженность внутреннего электрического поля составляет 1011
В/см. Для корректной интерпретации результатов экспериментов
необходимо знать эти поля с высокой точностью. Признанными экспертами
в расчете таких полей являются сотрудники Лаборатории квантовой химии
Отделения перспективных разработок ПИЯФ. (Подробнее об измерении ЭДМ
электрона можно прочитать в заметке Игоря Иванова на сайте http://elementy.ru/news/432166) Поиск явлений, нарушающих СР-симметрию, стал сегодня целой отраслью физики, большой вклад в которую вносят физики ПИЯФ. Надеюсь, уже в ближайшее время в ней появятся новые результаты. Алексей
Дзюба |
||||
