Симметрия и асимметрия в слабых взаимодействиях
Два значительно более ярких отличия слабых взаимодействий от сильных были открыты в 1956 г. под влиянием гипотезы Ли и Янга. Опишем сначала, как это было сделано для реакций слабых распадов. Покоящийся положительный пион обычно распадается на положительный мюон и мюонное нейтрино, движущиеся в противоположных направлениях. Удается определить направление спина мюонов, рассеивая их на электронах, спины которых фиксируются внешним магнитным полем. Взаимодействие между мюоном и электроном и, следовательно, сечение рассеяния зависят от того, параллельны или антипараллельны спины этих частиц, поэтому измерение сечения позволяет определить направление спина мюонов. Когда эти измерения были проведены, оказалось, что спин положительного мюона всегда направлен против движения. Поскольку спин пиона равен нулю, мюонное нейтрино, согласно закону сохранения момента, должно также иметь спин, направленный противоположно импульсу.
Частицы, у которых спин направлен антипараллельно импульсу, называются левовинтовыми (их движение напоминает движение винта елевой резьбой). Соответственно частицы, у которых спин направлен параллельно импульсу, называются правовинтовыми. В аналогичных распадах отрицательных пионов отрицательные мюоны и антинейтрино оказываются правовинтовыми. Эксперименты по исследованию нейтрино, рождающихся в других реакциях, таких, как бета-распад, распад мюона и т. д., подтверждают, что испускаемые нейтрино всегда являются левовинтовыми, тогда как антинейтрино всегда правовинтовое. Заряженные же антилептоны, излучаемые в этих реакциях вместе с нейтрино, оказываются обычно правовинтовыми, как и антинейтрино, тогда как заряженные лептоны — левовинтовыми аналогично нейтрино. Распад пиона на мюон и другие двухчастичные распады являются аномальными в том смысле, что закон сохранения момента в них требует, чтобы «спиральность» антилептона совпадала со «спиральностью» нейтрино. В других распадах законы сохранения этого не требуют, и антилептоны могут «избрать» предпочтительную «спиральность», противоположную «спиральности» нейтрино.
Другая симметрия, также нарушаемая в слабых взаимодействиях, — это симметрия по отношению к операции зеркального отражения, известная как пространственная четность. Нарушение четности проявляется уже в том, что испускаемые нейтрино имеют определенную предпочтительную «спиральность». Рассмотрим нейтрино, направление спина которого противоположно направлению движения. Если посмотреть на отражение нейтрино в зеркале, поставленном перпендикулярно его движению, то направление движения сменится на обратное, а направление спина — нет, так что нейтрино будет казаться правовинтовым вместо того, чтобы быть левовинтовым.
В действительности, как сегодня известно, в природе встречаются только левовинтовые нейтрино и правовинтовые антинейтрино, лишь они могут порождаться, поглощаться или рассеиваться. Это свойство нейтрино связано с тем фактом, что их масса почти равна нулю. Если бы масса нейтрино была отлична от нуля, его «спиральность» можно было бы изменить, «догнав» и «перегнав» нейтрино. При этом направление импульса нейтрино изменилось бы на обратное, тогда как направление спина осталось бы прежним, в итоге нейтрино из левовинтового превратилось бы в правовинтовое. Это невозможно, однако, для не имеющего массы нейтрино, движущегося со скоростью света (именно поэтому его нельзя обогнать). Вообще говоря, предпочтительная «спиральность» не связана автоматически с безмассовыми частицами: например, в природе встречаются как лево, так и правовинтовые фотоны, что соответствует двум возможным круговым поляризациям света. В то же время заряженные лептоны с ненулевой массой также могут иметь оба значения «спиральности». Однако в слабых взаимодействиях наблюдается тенденция к проявлению только одного значения «спиральности» для каждого лептона — за исключением тех случаев, когда другое значение «спиральности» требуется законами сохранения, как, например, это имеет место в распаде пиона.
