8a. Квантовая механика I

где

или

где

Вы можете подумать: «Не слишком ли много разговоров. Как узнать, это или K⁰? Выглядят-то они одинаково. Они античастицы друг друга, значит, массы их одинаковы, заряды у обеих равны нулю. Как вы их различите?» По реакциям, которые они вызывают. Например, -мезон может взаимодействовать с веществом, создавая L-частицу, скажем, так:

а K⁰-мезон не может. У К⁰ нет способа создать L-частицу, взаимодействуя с обычным веществом (протонами и нейтронами). Значит, экспериментальное отличие между К⁰- и -мезонами состояло бы в том, что один из них создает L-частицу, а другой— нет.

Одно из предсказаний теории странности тогда заключалось бы в следующем: если в опыте с пионами высокой энергии L-частица возникает вместе с нейтральным K-мезоном, тогда этот нейтральный K-мезон, попадая в другие массивы вещества, никогда не создаст L-частицы. Опыт мог бы протекать таким образом. Вы посылаете пучок p^--мезонов в большую водородную пузырьковую камеру. След p^- исчезает, но где-то в стороне появляется пара следов (протона и p^- -мезона), указывающая на то, что распалась Λ-частица (фиг. 9.5). Тогда вы знаете, что где-то есть K⁰-мезон, который вам не виден.

Но вы можете представить, куда он направился, применяя сохранение импульса и энергии. (Он затем иногда раскрывает свое местоположение, распадаясь на пару заряженных частиц, как показано на фиг. 9.5, а.)

Когда К⁰-мезон летит в веществе, он может провзаимодействовать с одним из ядер водорода (протонов), создав при этом, быть может, еще какие-то частицы.

Предсказание теории странности состоит в том, что K⁰-мезон никогда не породит L-частицу в простой реакции, скажем, такого типа

хотя -мезон это может сделать. Иначе говоря, в пузырьковой камере -мезон мог бы вызвать событие, показанное на фиг. 9.5, б, где L⁰-частицу из-за распада можно заметить, а К⁰-мезон не смог бы. Это первая часть рассказа. Это и есть сохранение странности.

Странность, впрочем, сохраняется не совсем. Существуют очень медленные распады странных частиц — распады, происходящие за большое время — порядка 10^-10 сек, в которых странность не сохраняется. Их называют «слабые» распады. Например, K⁰-мезон распадается на пару p-мезонов (+ и -) со временем жизни 10^-10 сек. Именно так на самом деле впервые были замечены K-частицы. Обратите внимание, что распадная реакция

не сохраняет странности, так что «быстро», путем сильного взаимодействия, она идти не может. Может она идти только через слабый распадный процесс.

Далее, -мезон также распадается таким же путем (на p⁺ и p^-) и тоже с таким же самым временем жизни:

Здесь опять идет слабый распад, потому что он не сохраняет странности. Существует принцип, по которому для всякой реакции всегда найдется соответствующая реакция, в которой «материя» заменяется «антиматерией» и наоборот. Раз— это античастица К⁰, она обязана распадаться на античастицы p⁺ и p^- , но античастица p⁺есть p^- . (Или, если вам угодно, наоборот. Оказывается, что для p-мезонов неважно, кого из них назовут «материей», их эта материя совсем не интересует.) Итак, как следствие слабых распадов К⁰- и -мезоны могут превращаться в одинаковые конечные продукты. Если «видеть» их по их распадам (как в пузырьковой камере), то выглядят они, как совершенно одинаковые частицы. Отличаются только их сильные взаимодействия.

Теперь наконец-то мы доросли до того, чтобы описать работу Гелл-Манна и Пайса. Во-первых, они отметили, что раз К⁰ и оба могут превращаться в два p-мезонов, то должна также существовать некоторая амплитуда того, что К⁰может превратиться в К⁰, и такая же амплитуда того, что превратится в К⁰. Реакцию можно записать так, как это делают химики: