Красота физики. Постигая устройство природы

Спиральность и нарушение четности. Очень глубокий аспект слабого взаимодействия, названный нарушением четности, был теоретически обнаружен Ли и Янгом в 1956 г. Чтобы описать его, мы должны ввести понятие спиральности[74] частицы. Оно применяется к частицам, которые одновременно движутся и вращаются.

Если объект вращается вокруг некоторой оси, мы можем присвоить этой оси направление следующим образом: представьте себе наш вращающийся объект как фигуристку на коньках. Если при вращении ее правая рука движется вперед, в сторону живота, мы выбираем направление от ее ног к голове; если же вращение приближает ее правую руку к спине, мы выбираем направление от головы к ногам.

У частиц, которые нам интересны, есть небольшое собственное вращение, известное как спин. Они всегда вращаются, как неустанные фигуристки на льду. Мы можем применить к ним ту же логику и получить направление, связанное с вращением. Если наша частица движется в том же направлении, мы говорим, что частица правая. Если она движется в противоположном направлении, мы говорим, что она левая. Другими словами, спиральность частицы задает направление ее вращения относительно ее скорости.

Ли и Янг предположили, что левые кварки, электроны и нейтрино (а также мюоны и τ-лептоны) участвуют в слабом взаимодействии, так же как и правые антикварки, антиэлектроны (позитроны) и антинейтрино (а также антимюоны и анти-τ-лептоны), а вот частицы с противоположной спиральностью этого не делают. Эксперименты подтвердили их предположение.

Еще один цветной анаморф: от «??» к «!»

Преобразовательный аспект слабого взаимодействия и еще несколько более специальных аспектов подали Шелдону Глэшоу, а также Абдусу Саламу и Джону Уорду идею о том, что, возможно, это взаимодействие тоже можно было бы описать в виде воплощения локальной симметрии.

Мы можем понять, как это могло бы сработать, используя идеи и образы, которые мы уже развили. Мы хотим, чтобы наш основной слабый процесс (давайте для определенности возьмем процесс вида u + e → d + ν) происходил за счет движений в пространстве свойств. У пространства свойств должно быть (по крайней мере) два измерения, чтобы u- и d-кварки могли быть одной и той же сущностью в различных положениях, и аналогично e и ν. Затем мы сможем посмотреть на весь наш процесс, который при буквальном прочтении представляет изменение идентичности частиц – того, чем они являются, – как на изменение их положения – того, где они находятся. Это принцип «где определяет что» в действии!

Теория, основанная на локальной симметрии, идет дальше, обеспечивая нас флюидом, управляющим перемещениями в пространстве свойств. Самое элементарное действие этого флюида – это то, что происходит, когда его самые маленькие единицы, или кванты, создаются и уничтожаются. Следовательно, наш процесс на самом базовом квантовом уровне может происходить таким образом:

u-кварк испускает викон W⁺ и превращается в d-кварк; электрон e поглощает викон W⁺ и превращается в нейтрино ν.

Или по-другому:

электрон e испускает викон W⁻ и превращается в нейтрино ν; u-кварк поглощает викон W⁻ и превращается в d-кварк.

Викон W⁺ обычно называют W⁺-бозоном, причем верхний индекс обозначает его электрический заряд. Викон W⁻, или W⁺ – бозон – это его античастица. Когда вы обстоятельно разберетесь с локальной симметрией, вы обнаружите, что существует третий, электрически нейтральный викон Z, или Z-бозон.

Предлагая эту локальную теорию, Глэшоу, Салам и Уорд следовали нашему иезуитскому девизу «Более достойно благословения просить прощения, чем разрешения», поскольку они намеренно проигнорировали другой аспект теории Янга – Миллса. Локальная симметрия теории Янга – Миллса требует, чтобы W⁺, W⁻ и Z имели нулевую массу. Аналогичные предсказания нулевой массы для гравитонов, фотонов и цветных глюонов – все соответствуют действительности и представляют большой успех для локальной симметрии. Но в теории слабого взаимодействия это предсказание не работает. Если бы у виконов была нулевая масса, их можно было бы легко наблюдать в столкновениях на ускорителях или даже в химических реакциях, так же как фотоны. В сущности, слабое взаимодействие не было бы слабым!

Короче говоря, в случае слабого взаимодействия локальная симметрия кажется слишком хорошей, чтобы быть правдой.