Слабые взаимодействия связаны только с левыми частицами. И мы до сих пор не знаем почему
Когда вы машете себе в зеркале, ваше отражение машет вам в ответ. Но рука, которой ваше отражение машет в ответ, - это рука, противоположная той, которой машете вы. Это не представляет проблемы для большинства из нас, поскольку мы могли бы так же легко выбрать противоположную руку, чтобы помахать, и тогда наше отражение тоже помахало бы в ответ противоположной рукой. Но для Вселенной - и, в частности, для любой частицы, испытывающей взаимодействие посредством слабого взаимодействия - , некоторые взаимодействия происходят только для левостороннего варианта. Версий для правшей, несмотря на все наши попытки найти их, просто не существует.
Но почему? Почему Вселенная обладает этим свойством и почему оно проявляется только для слабых взаимодействий, в то время как сильное, электромагнитное и гравитационное взаимодействия идеально симметричны между левосторонними и правосторонними конфигурациями? Это факт, который был научно продемонстрирован эмпирически множеством способов, и новые эксперименты готовы еще больше проверить это предположение. Несмотря на то, что это хорошо описывается физикой Стандартной модели, никто не знает, почему Вселенная устроена именно так. Вот что мы знаем на данный момент.
Представьте, что вместо человека вы были частицей. Вы движетесь в пространстве; у вас есть определенные квантовые свойства, такие как масса и заряд; и у вас есть не только угловой момент по отношению ко всем частицам (и античастицам) вокруг вас, но и собственный угловой момент по отношению к вашему направлению движения, известный как спин. Конкретные квантовые свойства, которыми вы обладаете как частица, определяют и определяют, что именно вы есть.
С помощью рук вы можете представить себя как левшой, так и правшой. Начните с того, что возьмите большие пальцы и направьте их в одном направлении: в любом направлении, которое вы выберете, но в одном и том же направлении. Теперь согните пальцы в том направлении, куда указывает большой палец. Если вы посмотрите прямо на свои большие пальцы, как если бы они приближались к вам, вы сможете увидеть разницу в вращении: все левые частицы вращаются по часовой стрелке, а правые все вращаются против часовой стрелки.
В большинстве случаев физике все равно, в какую сторону вы вращаетесь; законы и правила те же. Волчок подчиняется одним и тем же законам физики независимо от того, вращается он по часовой или против часовой стрелки; планета, вращающаяся вокруг своей оси, подчиняется одним и тем же правилам независимо от того, вращается ли она в том же или противоположном направлении по отношению к своей орбите; вращающийся электрон, каскадно спускающийся на более низкий энергетический уровень в атоме, испускает фотон независимо от того, в каком направлении вращается электрон. В большинстве случаев законы физики таковы, что мы называем лево-правосимметричным.
Эта «зеркальная симметрия» - один из трех основных классов симметрий, которые мы можем применить к частицам и законам физики. В начале 20-го века мы думали, что есть определенные симметрии, которые всегда сохраняются, и три из них:
- паритетная (P) симметрия, утверждающая, что законы физики одинаковы для всех частиц, как и для их зеркальных отражений,
- симметрия зарядового сопряжения (C), где законы физики для частиц такие же, как и для античастиц,
- и симметрия обращения времени (T), которая утверждает, что законы физики одинаковы, если вы рассматриваете систему, движущуюся во времени вперед, и систему, движущуюся назад во времени.
Согласно всем законам классической физики, а также общей теории относительности и даже квантовой электродинамике, эти симметрии всегда сохраняются.
Но если вы хотите знать, действительно ли Вселенная симметрична при всех этих преобразованиях, вы должны проверить это всеми мыслимыми способами. Первый намек на то, что с этой картинкой может быть что-то не так, мы получили в 1956 году: в год, когда мы экспериментально открыли нейтрино. Эта частица была предложена еще в 1930 году Вольфгангом Паули как крошечный нейтральный новый квант, способный уносить энергию во время радиоактивного распада. По его предложению весьма цитируемый Паули посетовал:
«Я совершил ужасную вещь, я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить».
Поскольку было предсказано, что нейтрино будут иметь такое крошечное поперечное сечение, когда дело доходит до взаимодействия с обычной материей, Паули не мог представить реалистичный способ их обнаружения, когда он впервые предложил их. Но десятилетия спустя ученые не только освоили расщепление атома, но и ядерные реакторы стали обычным явлением. Эти реакторы - по предложению Паули - должны в большом количестве производить аналог нейтрино из антивещества: антинейтрино. Построив детектор рядом с ядерным реактором, первое обнаружение антинейтрино произошло в 1956 году, 26 лет спустя.
Однако в отношении этих антинейтрино было замечено кое-что интересное: каждое из них было правосторонним, а его вращение было направлено против часовой стрелки, если смотреть «по направлению» его движения. Позже мы начали регистрировать и нейтрино и обнаружили, что каждое из них было левосторонним, со спином, ориентированным по часовой стрелке, когда направление движения к вам.
На первый взгляд это может показаться невозможным измерением. Если нейтрино (и антинейтрино) настолько трудно измерить, что они крайне редко взаимодействуют с другими частицами, то как мы можем измерить их спины?
Ответ заключается в том, что мы узнаем их спины не путем их непосредственного измерения, а, скорее, наблюдая за частицами, возникающими после взаимодействия, а также за их свойствами. Мы проделываем это со всеми частицами, которые не можем измерить напрямую, включая бозон Хиггса, который в настоящее время известен как единственная фундаментальная частица со спином, равным 0.
Как нам это сделать?
Хиггс иногда распадается на два фотона, которые могут иметь спин +1 или -1. Когда вы измеряете фотоны, это говорит вам, что бозон Хиггса имеет спин либо 0, либо 2, потому что вы можете добавить или вычесть эти спины фотона, чтобы получить либо 0, либо 2. С другой стороны, бозон Хиггса иногда распадается на кварк. пара антикварков, где каждый кварк/антикварк имеет спин +½ или -½. Добавляя или вычитая эти спины, мы можем получить либо 0, либо 1. С помощью одного только измерения мы не узнаем спин бозона Хиггса, но, объединив все эти измерения, остается только 0 как жизнеспособный вариант для его спина..
Подобные методы использовались для измерения спина нейтрино и антинейтрино, и - что весьма удивительно для большинства - они открыли Вселенную, которая в зеркале не такая, как в нашей. реальность. Если вы поместите левое нейтрино в зеркало, оно покажется правосторонним, так же как ваша левая рука покажется правой рукой в зеркале. Но в нашей Вселенной нет ни правых нейтрино, ни левых антинейтрино. Почему-то Вселенная заботится о ручном управлении.
Как мы это понимаем?
Теоретики Цзун Дао Ли и Чен Нин Ян выдвинули идею законов четности и показали, что, хотя четность представляется превосходной симметрией, которая сохраняется для сильных и электромагнитных взаимодействий, она не были адекватно проверены в - и поэтому могут нарушаться - слабыми взаимодействиями. Слабое взаимодействие - это любое взаимодействие, которое включает в себя распад, при котором один тип частиц превращается в другой, например, мюон становится электроном, странный кварк становится верхним кварком или нейтрон распадается на протон (когда один из его нижних кварков распадается на другой). вверх-кварк).
Если бы четность сохранялась, то слабые взаимодействия вообще (и всякий слабый распад в частности) в равной степени взаимодействовали бы как с левыми, так и с правыми частицами. Но если бы четность была нарушена, возможно, слабое взаимодействие связывалось бы только с левыми частицами. Если бы только существовал экспериментальный способ узнать.
В 1956 году Цзянь-Шиунг Ву взял образец кобальта-60, радиоактивного изотопа кобальта, и охладил его почти до абсолютного нуля. Известно, что кобальт-60 распадается на никель-60 посредством бета-распада: слабый распад превращает один из нейтронов ядра в протон, испуская при этом электрон и антинейтрино. Приложив к кобальту магнитное поле, она смогла заставить все атомы кобальта-60 выстроиться вдоль одной и той же оси вращения.
Если бы четность сохранялась, то вы с такой же вероятностью увидели бы, что испускаемые электроны - также известные как бета-частицы - выровнены с осью вращения, как и вы увидели бы их направленными против оси вращения. ось вращения. Но если бы четность была нарушена, испускаемые электроны были бы асимметричными. В монументальном результате Ву продемонстрировал, что испускаемые электроны были не только асимметричными, но и настолько асимметричными, насколько это теоретически возможно. Несколько месяцев спустя Паули написал Виктору Вайскопфу, заявив:
«Я не могу поверить, что Бог - слабый левша».
Но слабое взаимодействие связано только с левыми частицами, по крайней мере, насколько мы его измерили. Это поднимает интересный вопрос о том, что мы не измеряли: когда фотоны участвуют в слабом взаимодействии, играют ли роль и левые, и правые фотоны, или только левые фотоны? Например, вы можете превратить нижний (b) кварк в странный (s) кварк в слабых взаимодействиях, которые обычно происходят без фотона как части смеси. Однако даже несмотря на то, что он подавлен, крошечная часть b-кварков превратится в s-кварк с дополнительным фотоном: менее 1 из 1000. Хотя редко, это можно изучить.
Согласно ожиданиям, этот фотон всегда должен быть левым: в соответствии с тем, как мы ожидаем, что четность будет работать (и будет нарушена для слабых взаимодействий) в Стандартной модели. Но если даже фотону иногда позволяют быть правым, мы могли бы найти еще одну трещину в нашем нынешнем понимании физики. Некоторые предсказанные распады могут:
- покажите удивительную поляризацию фотонов,
- имеют показатели, отличные от прогнозируемых,
- или может показать асимметрию заряд-четность (CP).
Коллаборация LHCb в ЦЕРНе - лучшее место на Земле для изучения этой возможности, и они только что наложили сильнейшее ограничение на отсутствие правосторонних фотонов. Если приведенный ниже график когда-нибудь улучшится до такой степени, что центральная точка (0, 0) будет исключена, это будет означать, что мы открыли новую физику.
В высшей степени верно, что мы можем описать Вселенную как идеально симметричную между зеркальными отражениями, заменой частиц античастицами и взаимодействиями, идущими вперед или назад во времени, для каждой силы и взаимодействия, о которых мы знаем, Кроме одного. Однако в слабых взаимодействиях и только в слабых взаимодействиях ни одна из этих симметрий не сохраняется. Что касается слабых взаимодействий, то каждое измерение, которое мы когда-либо производили, показывает, что Паули все еще не мог бы поверить сегодня: спустя более 60 лет после того, как впервые было обнаружено нарушение четности, слабое взаимодействие по-прежнему связывается исключительно с левосторонними. ручные частицы.
Поскольку нейтрино обладают массой, один из самых замечательных экспериментов, которые нужно провести, будет состоять в том, чтобы двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света: обгонять левовращающее нейтрино так, чтобы его вращение казалось противоположным с вашей точки зрения. Не проявит ли он вдруг свойства правого антинейтрино? Будет ли он правым, но по-прежнему будет вести себя как нейтрино? Какими бы ни были его характеристики, он может открыть новую информацию о фундаментальной природе нашей Вселенной. Пока этот день не наступит, косвенные измерения - такие, как те, что проводятся в ЦЕРНе и поиски двойного безнейтринного бета-распада - , будут нашей лучшей возможностью выяснить, не является ли наша Вселенная такой левой, как мы сейчас думаем.
Starts With A Bang написан Итаном Сигелом, доктором философии, автором книг Beyond The Galaxy и Treknology: The Science of Star Trek от Tricorders до Warp Drive.