Ричард Фейнман - Том 3. Квантовая механика

Про некоторые законы сохранения было известно, что они обязаны соблюдаться. Во-первых, всегда сохранялись энергия и импульс. Полная энергия и импульс после события должны быть такими же, как и перед событием. Во-вторых, существует закон сохранения электрического заряда, утверждающий, что полный заряд выходящих частиц обязан равняться полному заряду, внесенному начальными частицами. В нашем примере столкновения К - мезона и протона действительно происходят такие реакции:

или

(9.38)

И никогда из-за несохранения заряда не идут реакции

(9.39)

Было также известно, что количество барионов сохраняется. Количество выходящих барионов должно быть равно количеству входящих . В этом законе античастица бариона считается за минус один барион. Это значит, что мы можем видеть — и видим — реакции

или

(9.40)

(где —p — это антипротон, несущий отрицательный заряд). Но мы никогда не увидим

или

(9.41)

(даже если энергия очень-очень большая), потому что число барионов здесь не сохранялось бы.

Эти законы, однако, не объясняют того странного факта, что нижеследующие реакции, которые с виду не особенно отличаются от кое-каких приведенных в (9.38) или (9.40), тоже никогда не наблюдались:

или

или

(9.42)

Объяснением служит сохранение странности. За каждой частицей следует число — ее странность S , и имеется закон, что в любом сильном взаимодействии полная странность на выходе должна равняться полной странности на входе . Протон и антипротон (p, —p), нейтрон и антинейтрон (n, —n) и π-мезоны (π +, π 0, π -) — все имеют странность нуль ; у К +- и K 0-мезонов странность равна +1;у К -и — K 0( анти - К 0) [32] Читайте: «.K-нуль с чертой». , у Λ 0- и Σ-частиц (Σ +, Σ 0, Σ -) странность равна -1. Существует также частица со странностью -2 (Ξ-частица), а может быть, и другие, пока неизвестные. Перечень этих странностей приведен в табл. 9.4 [33] Среди новых частиц есть барион Ω - со странностью -3.—Прим. ред. .

Таблица 9.4. СТРАННОСТИ СИЛЬНО ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ЧАСТИЦ

Посмотрим, как действует сохранение странности в некоторых написанных реакциях. Если мы исходим из К -и протона, то их суммарная странность равна (-1)+0=-1. Сохранение странности утверждает, что странности продуктов реакции после сложения тоже должны дать -1. Вы видите, что в реакциях (9.38) и (9.40) это действительно так. Но в реакциях (9.42) странность справа во всех случаях есть нуль . В них странность не сохраняется, и они не происходят. Почему? Это никому не известно. Никому не известно что-либо сверх того, что мы только что рассказали. Просто природа так действует — и все.

Давайте теперь взглянем на такую реакцию: π -попадает в протон. Вы можете, например, получить Λ 0-частицу плюс нейтральный K -мезон — две нейтральные частицы. Какой же из нейтральных K -мезонов вы получите? Раз у Λ-частицы странность -1, а у π -и π +странность нуль и поскольку перед нами быстрая реакция рождения, то странность измениться не должна. Вот K -частица и должна обладать странностью +1, —и быть поэтому К 0. Реакция имеет вид

причем

Если бы здесь вместо К 0стояло — К 0, то странность справа была бы -2, чего природа не позволит, ведь слева странность нуль. С другой стороны, — К 0может возникать в других реакциях:

где

или

где

Вы можете подумать: «Не слишком ли много разговоров. Как узнать , — K 0это или K 0? Выглядят-то они одинаково. Они античастицы друг друга, значит, массы их одинаковы, заряды у обеих равны нулю. Как вы их различите?» По реакциям, которые они вызывают. Например, — K 0-мезон может взаимодействовать с веществом, создавая Λ-частицу, скажем, так:

а K 0-мезон не может. У К 0 нет способа создать Λ-частицу, взаимодействуя с обычным веществом (протонами и нейтронами) [34] Если, конечно, он не создает еще двух К + или других частиц с общей странностью +2. Можно считать, что здесь речь идет о реакциях, в которых не хватает энергии для возникновения этих добавочных странных частиц. . Значит, экспериментальное отличие между К 0- и — K 0-мезонами состояло бы в том, что один из них создает Λ-частицу, а другой— нет.

Одно из предсказаний теории странности тогда заключалось бы в следующем: если в опыте с пионами высокой энергии Λ-частица возникает вместе с нейтральным K -мезоном, тогда этот нейтральный K -мезон, попадая в другие массивы вещества, никогда не создаст Λ-частицы. Опыт мог бы протекать таким образом. Вы посылаете пучок π --мезонов в большую водородную пузырьковую камеру. След π -исчезает, но где-то в стороне появляется пара следов (протона и π --мезона), указывающая на то, что распалась Λ-частица [35] Свободная Λ-частица медленно распадается путем слабого взаимодействия (так что странность не обязана при этом сохраняться). Продуктами распада могут быть либо р и π - , либо n и π 0 . Время жизни 2,2·10 -10 сек. (фиг. 9.5). Тогда вы знаете, что где-то есть K 0-мезон, который вам не виден.