Сверхслабое взаимодействие как физическая гипотеза

Нарушение $CP$-четности

Несохранение $CP$-четности было обнаружено при исследовании реакций с $K^0$ - мезонами (каонами). Открытие нарушения $CP$-четности говорит о наличии какого-то нового (возможно универсального) взаимодействия, которое ответственно за данное нарушение.

После того как было получено, что пространственная четность ($P$ - четность) под влиянием слабых взаимодействий не сохраняется, Л. Д. Ландау в 1957 году предположил гипотезу о инвариантности законов природы по отношению к комбинированной инверсии $CP$. Почти 7 лет после этого не было сомнений в $CP$-инвариантности.

В этом случае слабые взаимодействия порождают четную (3) и нечетную (4) $CP$- комбинации:

$K_1^0=\frac{K^0+\overline{K^0} }{\sqrt{2}}(3),$

$K_2^0=\frac{K^0-\overline{K^0} }{\sqrt{2}}(4).$

$K_1^0$ распадается на два пона; $K_2^0$ распадается на три пиона.

Продолжительность жизни $K_1^0$ в 600 раз меньше, чем $K_2^0$.

Исследования регенерации $K_2^0 \sim$K_1^0$ в разных веществах на расстояниях 19 метров показали, что отношение вероятностей распадов приблизительно равно: в разных веществах на расстояниях 19 метров показали, что отношение вероятностей распадов приблизительно равно:

$\frac{W(K\to 2\pi)}{W(K\to 3\pi)}\approx 0,2% (5)$.

Следует учитывать, что расстояние равное 19 метрам в 300 раз больше, чем длина распада $K_1^0$, поэтому $K_2^0$ - мезоны должны были практически отсутствовать в пучке. Было сделано предположение, что полученный результат (5) говорит о нарушении $CP$ - четности.

При не сохранении $CP$ четности, $K_L$ не совпадает с $K^0_2$, а короткоживущая составляющая каонов ($K_S$) не совпадает с $K_1^0$. Данные составляющие не имеют определенной странности (как $K^0$ и $\overline{K^0}$) и определенной комбинированной четности (как $K^0_1$ и $K_0^2$). Их характеризуют при помощи масс ($m_L$ и $m_S$) и продолжительности жизни ($\tau_L$ и $\tau_S$).

Распад $K_L\to 2\pi$ отличает то, что при его наличии должна наблюдаться интерференция с распадом $K_S\to 2\pi$. Именное наличие интерференции позволяет исключить все процессы, которые были бы похожи на распад $K_L\to 2\pi$.

Один из методов наблюдения интерференции основан на применении процесса регенерации при пропускании пучка $K$ - мезонов сквозь пластинку вещества (регенератор). Можно наблюдать интерференцию и в вакууме. После обнаружения интерференционных эффектов, сомнения в реальности распада $K_L\to 2\pi^0$ были устранены и начали проводить поиски несохранения $CP$- четности в других процессах.

Было найдено несохранение этой четности в распадах каонов в вакууме на лептоны.

Представления об инвариантности законов природы по отношению к дискретным преобразованиям изменялись. Вначале пришлось отказаться от $P-$ и $C-$ инвариантности, затем эксперименты с каонами привели к нарушению $CP-$ инвариантности.

Нарушение $CP-$ инвариантности могло бы привести к:

• разным вероятностям распадов: $K^+ \to 2\pi^++\pi^-$ и $K^+ \to 2\pi^-+\pi^+$;
• зарядовой асимметрии в распаде $\eta^0 \to \pi^++\pi^-+\pi^0$ и др.

Нарушение $CP -$ симметрии выявлено только в распадах $K^0$ - мезонов. Предполагают, что это связано с тем, что нейтральные $K_1^0$ и $K_2^0$ - мезоны близки по массе и имеют противоположные $CP$ - четности. Поэтому даже слабое взаимодействие нарушает $CP$ - инвариантность.

Сверхслабое взаимодействие

Так как $CP$ - неинвариантная амплитуда практически в $2\bullet 10^{-3}$ раз меньше, чем $CP$ - инвариантная, то можно положить, что $CP$ - неинвариантное взаимодействие примерно в $10^{-3}$ раз слабее взаимодействия, которое отвечает за распад каонов.

При распаде $K_2^0 \to \pi^++\pi^-$ сверхслабое взаимодействие должно изменять знаки $P$ и $CP$, странность ($S$) под влиянием сверхслабого взаимодействия должна изменяться на единицу, поскольку для взаимодействия, не изменяющего странность, величина электрического дипольного момента нейтрона достигла бы значения, при котором данный момент можно было обнаружить.

И так,

1. Сверхслабое взаимодействие инициирует прямой $CP$ -неинвариантный распад (1) и (2) с изменением странности $\Delta S = 1$.
2. Данное взаимодействие названо сверхслабым, поскольку его эффективность на три порядка меньше, чем эффективность слабого нелептонного взаимодействия.
3. Сверхслабое взаимодействие дает возможность взаимных превращений волновых функций $K$ - мезонов с различными четностями.
4. Современный уровень развития техники не способен подтвердить или опровергнуть гипотезу о сверхслабом взаимодействии.

Модель сверхслабого взаимодействия

Линкольн Вольфейнштейн предложил модель сверхслабого взаимодействия ($\approx 10^{-9}$ от слабого взаимодействия) при котором

$|\eta_{\pm}|=|\eta_{00}|,$

где $\eta_{\pm}=\frac{A(K_L\to \pi^++\pi^- )}{ A(K_S\to \pi^++\pi^- )}$ - отношение амплитуд распадов каонов. $\eta_{00}$ - параметр, характеризующий распад нейтральных пионов.

Эмпирические изыскания пока не подтверждают модели Вольфенштейна.

Из данной модели следует, что $CP$ - неинвариантные эффекты можно наблюдать только в распадах $K^0$ мезонов. Данное заключение находится в согласии с экспериментальными данными. Вопрос о применимости модели на настоящее время открыт.

Если точность измерений будет увеличена, то можно будет провести проверку гипотез теории сверхслабого взаимодействия.

В настоящее время нарушение $CP$ -инвариантности объясняется иными причинами. Гипотезу о миллислабом взаимодействии рассматривают только в контексте развития ядерной физики.