Fizikai Szemle honlap

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.