Роль законов сохранения. Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц. Это обусловлено следующими двумя обстоятельствами.
1. Они не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но определяют также все возможности этих последствий, и поэтому отличаются высокой степенью предсказательности.
-
В этой области открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответствующие фундаментальные законы их поведения еще неизвестны. Поэтому законы сохранения играют здесь главенствующую роль и позволяют анализировать процессы, механизм которых еще не раскрыт.
Все законы подразделяются на точные и приближенные. Точные законы сохранения выполняются во всех фундаментальных взаимодействиях, а приближенные — только в некоторых.
Точными являются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Точными являются и законы сохранения всех зарядов. Каждый из этих зарядов характеризует некое внутреннее свойство частицы.
Необходимость введения зарядов (кроме электрического) было продиктовано многочисленными экспериментальными фактами, объяснить которые оказалось возможным только при допущении, что существуют заряды неэлектрической природы, которые также сохраняются.
Установлено пять зарядов: электрический Q, барионный В, и три лептонных, Lе, Lμ и Lτ. У всех элементарных частиц эти заряды имеют только целочисленные значения (заряд Q — это число единиц элементарного заряда).
Барионный заряд. Если барионам и антибарионам приписать барионный заряд В такой, что B=1 для барионов (нуклонов и гиперонов) и B = -1 антибарионов, а всем остальным частицам — барионный заряд В = 0, то для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться. Это и называют законом сохранения барионного заряда.
Барионный заряд, как и все другие заряды, аддитивен: для сложной системы частиц заряд каждого вида равен сумме зарядов того же вида всех частиц системы. Например, барионный заряд ядра атома равен сумме всех барионных зарядов нуклонов данного ядра. Другими словами, барионный заряд ядра равен его массовому числу А.
Согласно закону сохранения барионного заряда частицы с В = +1 или -1 не распадаются только на частицы с В = 0. Например, протон р не может превратиться в позитрон е+ и фотон γ, хотя это не запрещено законами сохранения энергии, импульса, момента и электрического заряда. Запрет на это превращение связан с нарушением закона сохранения барионного заряда В: у протона В = +1, а у позитрона и γ-кванта В = 0. Если бы такое превращение было возможно, то это неизбежно привело бы к аннигиляции атомов вещества, так как образовавшиеся позитроны аннигилировали бы с атомными электронами.
Из того же закона следует, что антибарион может рождаться только в паре со своим барионом.
Лептонные заряды. Существуют три вида лептонных зарядов: электронный Lе (для е и νe,), мюонный Lμ (для μ и νμ) и таонный Lτ (для τ и ντ). Здесь νe, νμ , ντ — электронное, мюонное и таонное нейтрино. Из эксперимента следует, что это разные нейтрино.
С помощью лептонных зарядов легко интерпретируется установленный экспериментально закон, согласно которому в замкнутой системе при любых процессах разность между числом лептонов и антилептонов сохраняется (это же относится и к барионам).
Условились считать, что
Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю.
Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы при распаде, например, нейтрона:
n —> p + e- + νe
вместе с электроном рождалось электронное антинейтрино, так как суммарный лептонный заряд этих двух частиц равен нулю. Вместе с тем из этого превращения следует, что поскольку протон р — частица (В = +1), то частицей является и нейтрон п (тоже В = +1).
Законом сохранения лептонного заряда объясняется невозможность следующих процессов:
νe + p ≠> e+ + n, νμ +p ≠> μ+ + n , хотя другими законами сохранения они разрешены. Процессы же:
νe + p —> e+ + n, νμ +p —> μ+ + n , удовлетворяющие закону сохранения лептонного заряда, наблюдали экспериментально.
Эти два примера показывают, что нейтрино (как электронное, так и мюонное) не тождественны своим античастицам. После того, как было установлено, что νe и νμ — разные частицы, и были введены разные лептонные заряды Lе и Lμ. Аналогично обстояло дело и с введением таонного лептонного заряда Lτ.