Oddziaływania słabe

Niezachowanie

W roku 1964 odkryto, że niezachowujące dziwności nieleptonowe rozpady neutralnych kaonów naruszają również zachowanie parzystości kombinowanej , tzn. łamią niezmienniczość praw przyrody względem operacji odbicia lustrzanego połączonego z zamienieniem wszystkich cząstek ich antycząstkami. Neutralne kaony powstające w wyniku tzw. produkcji stowarzyszonej lub są stanami o dobrze określonej dziwności , , która jest zachowywana przez oddziaływania silne. Gdyby nie oddziaływania słabe, masy i byłyby dokładnie równe i wybór stanów o określonej dziwności (a nie stanów o określonej parzystości kombinowanej ) jako bazy stanów neutralnych kaonów byłby podyktowany jedynie wygodą opisu procesów produkcji stowarzyszonej. Jednakże oddziaływania słabe modyfikują nieznacznie masy wszystkich cząstek w nich uczestniczących, a ponieważ nie zachowują one dziwności, stanami neutralnych kaonów o ustalonych masach i czasach życia są - przy założeniu że operacja jest ścisłą symetrią przyrody - stany o ustalonej parzystości kombinowanej :

[98]

Prowadzi to do typowo kwantowomechanicznego zjawiska jakim są oscylacje neutralnych kaonów, polegające na tym, że powstający np. w reakcji produkcji stowarzyszonej kaon po jakimś czasie zmienia się w , który następnie znów przechodzi w itd.

Jeśli w procesie produkcji stowarzyszonej powstaje neutralny kaon to, gdyby nie zjawisko oscylacji, w (silnym) oddziaływaniu takiej wiązki kaonów z materią nie mogłaby nigdy powstać cząstka , gdyż reakcja narusza zachowanie dziwności. Ponieważ na skutek istnienia oddziaływań słabych nie jest stanem o dobrze określonej masie, może on w locie przejść w i cząstka może powstać w zachodzącej dzięki oddziaływaniom silnym reakcji . Podobne oscylacje obserwuje się również w układzie neutralnych mezonów - i -.

Stan dwóch pionów lub ma parzystość kombinowaną więc jeżeli parzystość jest zachowywana, na dwa piony rozpadać się może tylko kaon . Natomiast powinien rozpadać się tylko na trzy piony (mające ). Ponieważ w tym przypadku objętość dostępnej przeustrzeni fazowej stanu końcowego jest dość mała ma dużo dłuższy czas życia niż , co umożliwia uzyskiwanie eksperymentalnie niemal czystych wiązek (wystarczy odczekać aż rozpadnie się składowa wyprodukowanego w oddziaływaniu silnym stanu lub ). Takie eksperymentalne wyizolowanie długożyciowych kaonów umożliwiło zaobserwowanie, iż, wprawdzie bardzo rzadko, rozpadają się one także na dwa piony (obserwuje się mniej więcej jeden taki rozpad na 100 rozpadów na trzy piony). Później stwierdzono również niewielką różnicę szerokości powiązanych ze sobą operacją semileptonowych rozpadów i . Okazało się, że transformacja parzystości połączona z operacją sprzężenia ładunkowego nie jest ścisłą symetrią przyrody. Uwzględnienie naruszenia w opisie oddziaływań słabych nastręczało jednak początkowo duże trudności. Rozważano możliwość, że oddziaływania słabe zachowują , a za pogwałcenie w rozpadach kaonów odpowiedzialne jest nowe oddziaływanie nazwane oddziaływaniem supersłabym.

Naruszenie zachowania można jednak łatwo uwzględnić w Teorii Standardowej dzięki istnieniu trzeciej rodziny fermionów materii, a w szczególności trzeciego kwarkowego dubletu słabego izospinu tworzonego przez kwarki oraz . Mieszanie kwarków może bowiem w takiej sytuacji przyjmować ogólniejszą postać niż dana wzorami (58, 59):

	[99]

gdzie współczynniki tworzą macierz unitarną, która w ogólności zależy od trzech kątów mieszania i jednej fazy . Jak pokazali Kobayashi i Maskawa, jeśli elementy tej macierzy są zespolone (faza ), to oddziaływania bozonów naruszają także symetrię . Można też pokazać, iż w przypadku dwóch tylko rodzin kwarków, ich mieszanie nie prowadzi do naruszenia symetrii oddziaływań słabych względem operacji . Naruszenie tej symetrii jest więc ściśle związane z występowaniem w przyrodzie trzech rodzin kwarków. Procesy słabe są wciąż intensywnie badane, aby wyjaśnić, czy jeden parametr jest w stanie opisać naruszenie zachowania we wszystkich obserwowanych przypadkach. Bezpośrednie doświadczalne stwierdzenie niewystarczalności tego opisu (pośrednio o jego niewystarczalności świadczy tzw. problem bariogenezy, o którym piszemy w zakończeniu) byłoby oczywistym sygnałem, że możmy spodziewać się istnienia nowych cząstek o masach w przedziale 100 - 1000 GeV.