Fizikai Szemle 1968/8. 226.o.
MEGMARADÁSI TÉTELEK A GYENGE KÖLCSÖNHATÁSOKBAN
Lev D. Landau
Moszkva
Lev Landau tudományos gondolkodásmódjának illusztrálására közöljük ezt az írást, amely 1957-ben
jelent meg a Zsurnal Ekszperimentalnoj i Teoreticseszkoj Fiziki és a Nuclear Physics című folyóiratokban.
Azután, hogy Lee és Yang a paritás-megmaradás érvénytelenségét felismerte a K-mezonok bomlási
folyamataiban, tanácstalanul álltak a fizikusok: problematikussá vált a tér tükrözési szimmetriája. Landau
mutatott rá a kombinált paritás (CP) bevezetésével arra, hogy aszimmetrikus képződmények előfordulása
még nem jelenti a tér aszimmetriáját. A gondolat szépségét nem csorbítja az a körülmény, hogy - 1964-ben
a CP kombinált paritás igen kis mértékű megsérülését is felfedezték.
Mint tudjuk, a K-mezonok tulajdonságai nehéz helyzetet teremtettek az elméleti fizikában.
A τ-bomlásnál keletkező π-mezonok közötti korreláció alapján a τ-mezonoknak 0 spint
kell tulajdonítanunk. Ilyen részecske azonban két pi-mezonra nem bomolhat el. Ez az eredmény a
következő dilemma elé állít bennünket: Vagy fel kell tennünk, hogy két különböző K-mezon van,
vagy a K-mezonok bomlásánál a megmaradási tételek nem érvényesek. Az első esetben meg kell
magyaráznunk a tömegek egyenlőségét (a kétféle K-mezon tömege két elektron tömeg pontossággal
egyenlő) és az élettartamok közelítő egyenlőségét. A K-mezonok tömegének egyenlőségét
megkísérelhetjük úgy magyarázni, hogy feltesszük: a magerők eddig ismeretlen szimmetria-sajátsággal
rendelkeznek, amely a θ-mezon és τ-mezon között teremt kapcsolatot. (Ezt Lee és Yang
feltételezték.) Ebben az esetben azonban, ha feltesszük, hogy a neutrinó részvételével végbemenő bomlások
K+ → µ+
+ v, K+ → v
+ µ+ + π°,
K+ → e+ + v
+ π°,
a két különböző paritású részecskénél egyaránt előfordulnak, azt kell várnunk, hogy - tekintettel a τ
és θ bomlások különböző gyakoriságára - két különböző élettartam létezik. A kettő különbsége nem
lehet kisebb 30-40%-nál, és ellentmond a legutóbbi kísérleti adatoknak.
Ilyen módon nyilvánvalóan arra a következtetésére kell jutnunk, hogy a két különböző K-mezon
feltételezése ellentmond a kísérleteknek. Csak az a lehetőség marad, hogy a K-bomlásnál a
jelenleg elfogadott megmaradási tételek valamelyike nem érvényes. Miután jelenleg nincs okunk kételkedni
az impulzusmomentum megmaradásának érvényességében, nyilvánvaló, hogy e folyamatok a paritás
megmaradásának tételét sértik.
Első pillanatra úgy látszik, hogy a paritás megmaradásának megsértése a tér aszimmetriáját jelenti
tükrözésekkel szemben. Ha tekintetbe vesszük, hogy a tér teljesen izotróp (az impulzusmomentumra
megmaradási tétel érvényes), ez a következtetés igen különösnek látszik. Véleményem szerint a paritás
megmaradási tételének egyszerű elvetése az elméleti fizikát súlyos helyzetbe hozná. Az a benyomásom,
hogy e nehézségből a következő kiút található. Mint tudjuk, az erős kölcsönhatásoknál kétségkívül
érvényes a paritás megmaradása és a töltéskonjugációval szemben mutatott invariancia. Tegyük fel,
hogy a gyenge kölcsönhatásoknál e két megmaradási tétel külön nem érvényes. Viszont invariancia áll
fenn e két transzformáció egymás után történő alkalmazásával szemben, amelyet mi kombinált tükrözésnek
nevezünk. A kombinált tükrözésnél egyszerre térünk át részecskéről antirészecskére és tükrözzük a teret.
Az összes kölcsönhatás invarianciája a kombinált tükrözéssel szemben arra vezet, hogy a tér teljesen
szimmetrikus, csupán az elektromos töltések aszimmetrikus képződmények. Ez az aszimmetria éppen
oly kevéssé érinti a tér szimmetriáját, mint a sztereoizomér molekulák létezése.
Másrészről a töltött részeknél semmilyen paritásmegmaradási tétel nem érvényes, minthogy a kombinált
tükrözés operátora a töltött részeket nem önmagukba viszik át. Ennek megfelelően a vákuum nem lehet
optikailag aktív, azonban minden, a szokásos szempontból szimmetrikus anyag szükségképpen elforgatja
a polarizáció síkját, bár természetesen ez a hatás elenyészően kicsi lehet.
Továbbá könnyű belátni, hogy a részecskéket és antirészecskéket jellemző állandóknak (tömeg, élettartam)
meg kell egyezniök, minthogy a részecskékkel, ill. antirészecskékkel kapcsolatos folyamatok a kombinált
tükrözéssel szemben mutatott invariancia következtében a tér tükrözésével egymásba átvihetők.
Szemléletesen szólva, a K-mezon a K-mezon tükörképe.
Az igazi semleges részecskék azok a részecskék, amelyek antirészecskéjükkel azonosak, a kombinált
tükrözésnél önmagukba mennek át. Ezért az ilyen részecskéknél a kombinált tükrözés megegyezik a
szokásos tértükrözéssel, és ilyen részecskékre a paritás megmaradása minden kölcsönhatás esetében
érvényes. Hangsúlyoznunk kell, hogy a megmaradó paritás a közönséges paritás és a töltésparitás
szorzata. Nyilvánvaló, hogy a π-mezon ebben az értelemben páratlan részecske, a K1°
(θ°)-mezon, amely két π-mezonra bomlik, páros részecske, viszont a
K2° részecske, amelyet Gell-Mann és Pais előre láttak, és nem régen
kísérletileg fel is fedeztek, páratlan részecske. A fotonok esetében a kombinált tükrözés a mágneses tér
előjelét megváltoztatja, az elektromos terét változatlanul hagyja. Az elektromos és mágneses multipól-fotonok
közönséges paritása a kombinált tükrözéskor ellenkezőre változik. Könnyű megmutatni, hogy a most
kifejtett elgondolás szerint - annak ellenére, hogy a részecskéknek nem tulajdonítunk meghatározott paritást
- a részecskék nem rendelkezhetnek elektromos dipólmomentummal.
Valóban, az egyetlen vektor, amelyet nyugvó részecskénél a Ψ téroperátorokból képezhetünk, a
spin vektora, amely tükrözéssel szemben páros, töltéstükrözéssel szemben páratlan. Eszerint a
spinvektor a kombinált tükrözéssel szemben páratlan, és annak megfelelően, amit fent az elektromágneses
térről mondottunk, csak mágneses és nem elektromos momentumot határozhat meg.
Amint Lee és Yang megmutatták, a paritás megmaradásának érvénytelensége a hiperonok keletkezési és
bomlási folyamatainál korrelációhoz vezet. Meg lehet mutatni, hogy a kombinált tükrözéssel szembeni
invariancia azt az eredményt adja, hogy a gyenge kölcsönhatások operátorai a Lagrange-függvényben
valós együtthatókkal szerepelnek. Ez a körülmény, azonban nem változtatja meg azt a kvalitatív képet,
amelyet a legáltalánosabb esetben kapunk a paritásmegmaradás feladása mellett. Ezért Lee és Yang
kijelentései a hiperonok bomlásánál fellépő aszimmetriára nézve az általunk vizsgált szkéma szerint
is érvényesek.