Физика

СИММЕТРИИ И ИХ НАРУШЕНИЯ В МИКРОМИРЕ

Доктор физико-математических наук Л. Н. СМИРНОВА, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ

Кристаллы, являясь воплощением той же пространственной симметрии, приобретают новые свойства вследствие нарушения их структуры. И микромир, подчиняющийся законам квантовой механики, имеет широкий спектр характеристик, которые подчиняются своим симметриям. При этом важную роль играют нарушения их различных типов, как правило, указывающие на влияние какого-то иного явления или закона. Например, сильным взаимодействиям между частицами микромира свойственна симметрия зеркального отражения в пространстве, или пространственная четность. Слабые же взаимодействия, сказывающиеся, в первую очередь, на продолжительности времени жизни частиц, их взаимопревращениях, не подчиняются этому типу симметрии.

В последние десятилетия у отдельных ученых появились сомнения, что в физическом мире симметрия соблюдается не всегда. Постоянный поиск и эксперименты привели к открытию явления несохранения пространственной четности (Р- четности) в физике элементарных частиц. В 1956 г. американские теоретики Цзундао Ли и Чжэньнин Ян поставили под вопрос один из основных типов симметрии - законов взаимодействия частиц. И уже в 1957 г. в опытах по изучению бета-распада нейтрона, его превращению в протон внутри поляризованного ядра кобальта, американский экспериментатор Цзянь-Сюн By с коллегами обнаружили нарушение Р-четности (симметрии правого и левого в этом процессе). Аналогичные эффекты позже наблюдали и в характеристиках переходов между энергетическими состояниями атомов и атомных ядер, в распадах странных (нестабильных) мезонов и барионов. Эти данные получили ученые нашей страны: член-корреспондент РАН Ю. Г. Абов из ГНЦ Институт теоретической и экспериментальной физики Министерства РФ по атомной энергии; член-корреспондент РАН В. М. Лобашев и др. из ГНЦ Петербургский институт ядерной физики РАН; в атомных переходах тот же эффект в 1978 г. впервые наблюдали новосибирские исследователи академик Л. М. Барков и М. С. Золотарев.

Это открытие имеет очень важные следствия. Ведь существует соотношение, связывающее различные типы симметрии между собой. Речь идет о СРТ-теореме, утверждающей самый общий принцип симметрии относительно совместного применения трех типов преобразований: изменения электрических зарядов частиц (С), зеркального отражения (Р) и обращения времени (Т). По ней нарушение симметрии одного из преобразований означает несохранение других типов симметрии. Наибольшее внимание здесь привлекает проблема однородности и обратимости времени, обусловленная свойством Т- инвариантности.

Понятие зарядовой четности (С-четности) в физике соответствует симметрии процессов с участием частиц и античастиц. Но это не всегда строго выполняется, что следует хотя бы из такого факта: в нашем мире атомные ядра имеют только положительный заряд. Поскольку симметрия относительно временного преобразования представлялась ученым наиболее устойчивой, естественно, они ожидали, что процессы микромира окажутся инвариантны при одновременном применении пространственного и зарядового преобразования (СР). Однако это не подтвердилось.

Нарушение СР-четности впервые наблюдали в 1964 г. американские физики Дж. Кронин, В. Фитч и др. Они зарегистрировали распады долгоживущего нейтрального К- мезона надвал-мезона, возможные только для короткоживущих К-мезонов. И до настоящего времени, несмотря на настойчивые поиски, не наблюдались какие-либо другие эффекты нарушения данной симметрии. Это открытие заставило по-новому осмыслить многие явления. В 1965 г., например, появилась работа академика А. Д. Сахарова, в которой он объяснял преобладание во Вселенной количества барионов над количеством антибарионов за счет проявления СР-наруше- ния на одном из начальных этапов ее развития. Действительно, развиваясь из состояния возмущенного вакуума, изначально симметричного, под действием законов, не нарушающих эту симметрию, окружающий нас мир не мог бы устойчиво существовать. Взаимопроникновение материи и антиматерии, вещества и антивещества приводило бы к аннигиляции барионов и антибарионов и разрушению ядер. Электроны и позитроны превращались бы в кванты электромагнитного излучения. Поэтому само существование нашего материального мира означает нарушение СР- симметрии физическими законами.

За последние двадцать лет в физике микромира произошло множество изменений. Была создана и экспериментально подтверждена стандартная модель электрослабых взаимодействий, единым образом описывающая электромагнитные и слабые взаимодействия частиц. Открытые тяжелые кварки с, b и t составили вместе с известными ранее легкими u, d и s три поколения частиц, включающих также лептоны (электроны, мюоны, нейтрино и др.).

С открытием тяжелых кварков и созданием стандартной модели появилась реальная возможность продвинуться в изучении проблемы нарушения СР-симметрии. Прежде всего оказалось, что стандартная модель естественным образом содержит в себе эффекты СР-нарушения. Другая ее особенность заключена в том, что СР-нарушения должны отчетливо проявляться в распадах тяжелых мезонов, содержащих b-кварки. А вот более тяжелые t-кварки уже не могут образовать мезон или барион из-за слишком малого времени жизни. Поэтому В-мезоны и В-барионы являются уникальными объектами исследований.

Исследования СР-нарушений продолжаются в опытах с К- мезонами, но прояснят ситуацию лишь эксперименты, осуществление которых планируется на новых больших установках физики высоких энергий. Для этого необходимо создать более совершенные ускорители элементарных частиц. Энергия соударения в них должна быть достаточна для рождения тяжелых кварков, взаимопереходы между которыми, как и переходы тяжелых кварков в легкие, связаны с эффектами нарушения СР-симметрии. Такие установки уже работают в Европейской лаборатории элементарных частиц ЦЕРН (Швейцария), Национальной лаборатории им. Э. Ферми (США), в ДЕЗИ (Германия). Строительство новых планируется в Институте физики высоких энергий (г. Протвино) и в ЦЕРНе. Определенные надежды связывают с работой фабрик В- мезонов, создаваемых в США и Японии. Там эти частицы будут возникать при соударениях электронов и позитронов высоких энергий. Что станут измерять в этих экспериментах?

В результате слабого взаимодействия кварки могут изменять свою природу. Измеряя вероятности этих превращений, можно определить величину СР-нарушения. Надежно провести соответствующие измерения можно в реакциях распадов В-мезонов.

Представляет интерес экспериментальное исследование реакций распадов нейтральных В-мезонов (В). Специалисты уже определили: их вероятности в максимальной степени зависят от величины нарушения СР-симметрии. Кроме того, известно, что В-мезоны до момента распада могут самопроизвольно и многократно превращаться в антиВ- мезоны. И потому важно определить скорость этих взаимопереходов.

Наиболее представительна программа изучения эффектов СР-нарушения будет осуществлена на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, где сталкиваются два сгустка протонов, в каждом из которых частицы ускорены до энергии 7 ТэВ. На двух самых крупных детектирующих установках таких соударений - АТЛАС и CMC - предполагается регистрировать и исследовать целый ряд реакций и, следовательно, определить величину нарушения СР-симметрии в стандартной модели, проверить степень согласия последней с экспериментом.

В этом проекте предусмотрено участие российских физиков. Сейчас они разрабатывают упомянутые детектирующие установки, подготавливают программы измерений и моделирования реакций и т. д. Часть работ проводят в России. Например, в эксперименте АТЛАС ученые из Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) смоделировали условия регистрации распадов В-мезонов с образованием очарованных частиц. В этой реакции, где присутствует с-кварк в составе вторичного Dg-мезона, нужны особо точные измерения из-за большой скорости протекания процессов. В Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ под руководством автора статьи изучают возможность исследования редких распадов В о - мезонов с участием лептонов. В таких распадах, вероятности которых в стандартной модели очень малы (10 -6 - 10 -11 ), могут проявиться новые механизмы СР- нарушения.

Основные методы обнаружения В-мезонов и В-барионов базируются на том, что они до момента распада успевают пролететь некоторое расстояние. Точка распада может располагаться в нескольких миллиметрах от места соударения протонов. Характерные регистрируемые расстояния составляют при этом сотни микрон. Для таких измерений мы создаем так называемый вершинный детектор, расположенный вблизи области столкновения протонов.

Указание на присутствие распада В-адрона получают также при анализе траекторий частиц. В таком случае она проходит мимо точки взаимодействия протонов, и ее трек выделяется среди треков других частиц по величине его отклонения от места образования частиц. Для измерения этого отклонения и импульсов частиц необходима установка с очень высокой разрешающей способностью. Она должна также идентифицировать сравнительно медленные частицы от распада В-адронов.

Траектории частиц определяются далеко не для всех соударений протонов, а лишь для тех, где зарегистрирован сигнал, указывающий на образование b-кварка. Этим сигналом является мюон с большой проекцией импульса в направлении, перпендикулярном пучку протонов (свыше 4 -6 ГэВ/с, а в условиях максимальной интенсивности ускорителя - свыше 20 ГэВ/с). Такие мюоны образуются непосредственно при распаде b-кварков, и знак электрического заряда мюона указывает его природу: мюон с отрицательным зарядом образуется при распаде b-кварка, с положительным - при распде анти-b-кварка. Решение этой задачи требует наличия в установке эффективной системы, позволяющей выделить моюон и измерить его импульс.

Все эти системы являются составными элементами экспериментальных установок АТЛАС и CMC.


Понятие симметрии тесно связано и с нашей обыденной жизнью, и с фундаментальными свойствами пространства и времени. Такие основные законы механики, как сохранение импульса и момента количества движения обусловлены симметрией, или инвариантностью пространства по отношению к перемещениям и поворотам в нем.

Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD