Лептонные заряды

Драма идей в познании природы

Исследование распадов мюона, пионов, странных частиц, изучение реакций взаимодействия нейтрино показали, что бета-распад оказался только первым представителем большого класса процессов одного и того же так называемого слабого взаимодействия, для которого несохранение четности является фундаментальным законом. На языке спиральных частиц это означает, что в процессах слабого взаимодействия участвуют преимущественно левополяризованные частицы и правополяризованные античастицы. Так, например, в процессах слабого взаимодействия левополяризованное нейтрино превращается в левополяризованный электрон, а правополяризованное антинейтрино - в правополяризованный позитрон (кварки также участвуют в слабом взаимодействии, только левополяризованные, и это обуславливает влияние поляризации ядра на слабые процессы) и имеют место реакции v_e+n®p+e^- (обозначим эту реакцию символом A) и v_e^-+p®n+e⁺ (обозначим эту реакцию символом B).

При этом реакция A вызывается только нейтрино v_e, а антинейтрино v_e^- вызывает только реакцию B. Реакция A за счет антинейтрино с образованием правополяризованного электрона не наблюдалась, и, наоборот, не наблюдалась реакция B, вызываемая нейтрино. Об этом различии превращений нейтрино и антинейтрино иногда говорят как о различии лептонных зарядов нейтрино и антинейтрино. Нейтрино и электрону приписывают лептонный заряд +1, а позитрону и антинейтрино - заряд -1. Тогда свойства превращений лептонов объясняются сохранением лептонного заряда.

Однако одного лептонного заряда оказалось недостаточно. В нейтринных экспериментах было установлено, что нейтрино, образующееся вместе с мюоном m, мюонное нейтрино v_m в реакции типа A всегда превращается в m^-, тогда как электронное нейтрино превращается в этой реакции в электрон. Даже при нулевой массе свойства электронного и мюонного нейтрино различны. Эти различия объясняют различием в лептонных зарядах, а именно, e^- и v_e (e⁺ и v_e^-) обладают электронным лептонным зарядом, a m^- и v_m (m⁺ и v_m^-) - мюонным лептонным зарядом. Между лептонами электронного типа и лептонами мюонного типа имеется симметрия. В соответствии с этой симметрией определяются и мюонные заряды: мюон и мюонное нейтрино имеют мюонный заряд +1, антимюон и мюонное антинейтрино - заряд -1.

Выбор того, что в паре частица-античастица называть частицей, а что - античастицей, условен. Но, условившись называть частицей электрон, с помощью лептонных зарядов, сохраняющихся в превращениях лептонов, можно установить, какой лептон является частицей, а какой - античастицей. Так, из сохранения электронного лептонного заряда следует, что частица, рождающаяся вместе с электроном при бета-распаде, должна иметь отрицательный лептонный заряд, то есть являться античастицей - антинейтрино. Наоборот, при бета⁺-распаде вместе с позитроном, обладающим отрицательным лептонным зарядом, должна рождаться частица с положительным лептонным зарядом - нейтрино. Симметрия между лептонами электронного и мюонного типа позволяет определить как частицу отрицательно заряженный мюон. Тогда из сохранения лептонного заряда следует, что в распаде m^-®e^-+v_e^-+v_m рождается мюонное нейтрино, а в распаде m⁺®e⁺+v_e+v_m^- рождается античастица - мюонное антинейтрино.

Обсуждавшиеся лептонные заряды (после открытия t-лептона, в распадах которого наблюдают эффекты существования третьего, t-нейтрино v_t, был введен и третий лептонный заряд, связанный с t и v_t) отличаются от электрического заряда тем, что с этими зарядами не связано поле взаимодействия. Сохранение этих зарядов отражает только сохранение числа частиц определенного сорта. Поэтому электронный и мюонный лептонные заряды называют просто сохраняющимися числами. Подлинные заряды слабого взаимодействия - это заряды превращения электронного нейтрино в электрон, мюонного нейтрино в мюон и так далее - источники полей слабого взаимодействия. Эти заряды оказываются тесно связанными с симметрией изоспина.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год