XX. Паритет, спиральность и киральность

Процесс, при котором нейтрон превращается в протон, называется бета-распадом. Именно слабое взаимодействие, происходящее при бета-распаде, так удивило всех физиков. Слабому взаимодействию подвержены все кварки и лептоны, но в то же время в некотором смысле оно проявляет себя только для половины из них. Другими словами, в каждом городе на острове Лептонов и на острове Кварков есть аэропорт, но только половина жителей этих городов пользуется воздушной связью. Возможно, они напуганы или обеспокоены изменением климата. Или, быть может, они очень придирчивы, когда речь заходит о безопасности аэропортов… Как бы то ни было, но имеет место такой загадочный факт.

Чтобы понять, что этот факт означает, нам нужно сначала разобраться с таким понятием, как киральность. Киральный объект – объект, не идентичный своему зеркальному отражению. Иногда используется термин «направленность». Некоторые молекулы обладают свойством киральности – их правонаправленная версия не идентична левонаправленной. Это справедливо для многих биологических молекул. Например, молекула ДНК киральна: поворот в двойной спирали этой молекулы идет в определенном направлении. То же верно для молекулы сахара.

Как правило, в живых организмах реализуется только один из двух возможных видов киральности. Частицы на нашей карте тоже киральны, и только одна из киральностей подвержена влиянию слабого взаимодействия.

Частицы, обладающие спином, можно разделить на два класса в зависимости от того, указывает ли их спин в направлении движения самой частицы или наоборот. Это свойство называется спиральностью. Для квантовых частиц со спином ¹/₂ (таких как кварки и лептоны стандартной модели) есть всего два значения возможной спиральности. Если вы представите себе частицу, которая двигается по направлению к вам, то вы можете определить одно из двух возможных значений спиральности в соответствии с тем, ориентирован ли спин по часовой стрелке или против часовой стрелки (точно так же, как спираль молекулы ДНК может быть повернута в одном или в другом направлении). Для безмассовых частиц эти две спиральности определяют две возможные киральности частицы.

Такое поведение странно. Факт существования двух киральностей удивителен. Так как мы знаем, что большинство частиц обладают спином, то они обладают и направленностью, ассоциированной со своим спином (вращаются ли они по часовой стрелке или против часовой стрелки). Особенно неожиданно то, что W- и Z-бозоны, переносчики слабого взаимодействия, «видят» только одну из киральностей. Так, безмассовая частица со спином, направленным в сторону, противоположную направлению ее движения, будет ощущать влияние слабого взаимодействия, а безмассовая частица со спином, направленным в ту же сторону, что и ее движение, будет невидима для слабого взаимодействия.

Для античастиц верно обратное: те, у которых спин направлен по ходу движения, будут чувствовать слабое взаимодействие, а те, у которых спин направлен против хода, не будут ощущать эту силу.

Свойство киральности некоторых молекул, возникшее у растений и животных, по-видимому, объясняется случайным фактором эволюции (какой-то общий предок приобрел и стал использовать именно одну из двух киральностей и, став успешным, закрепил этот признак).

Однако почему фундаментальные частицы должны обладать такой сильной склонностью к одной из киральностей, далеко не очевидно и не понятно в рамках стандартной модели. Какова бы ни была изначальная причина, но такое «предвзятое» отношение к киральности имеет далеко идущие последствия.

До того, как было установлено это свойство слабого взаимодействия, ученые полагали, что Вселенная полностью симметрична по отношению к процедуре зеркального отражения. Иначе говоря, мы думали, что фундаментальные законы физики не делают различий между левым и правым. Но оказалось, что слабое взаимодействие делает такое различие. Если вы представите себе отражение в зеркале вращающейся безмассовой частицы (операция, называемая инверсией четности), то вы изменяете ее киральность, включая или выключая действие слабого взаимодействия. Эта операция может значительно изменить энергию частицы или любых других частиц поблизости и полностью нарушить симметрию. Это означает, что понятия «левый» и «правый» – не просто условные метки, но разница между ними встроена в структуру физической картины мира.

Хороший способ представить себе эту разницу – вообразить процесс дистанционного общения с какой-нибудь другой цивилизацией на далекой планете. Конечно, мы столкнулись бы с множеством проблем, но давайте представим, что нам удалось создать элементарный общий словарь, чтобы общаться достаточно свободно. Из общения мы узнаем, что представители той цивилизации тоже являются углеродной формой жизни. Конечно, они не называют свой основной элемент словом «углерод», но мы соглашаемся, что углерод – это то, что обладает шестью протонами и шестью нейтронами в ядре, а также связанными с этим ядром шестью электронами. Итак, выяснив все это, мы хотим отправить им коробку конфет в качестве жеста дружеских намерений. Но мы обеспокоены одним обстоятельством. А вдруг они используют молекулы сахара с другой киральностью? Если это так, то они не смогут переварить наши конфеты, и это приведет к дипломатическому скандалу. Но как бы нам узнать о нужной киральности заранее?

Мы могли бы спросить об этом самих инопланетян, но нам все равно нужно согласовать определения того, что мы называем правым, а что левым, что считать движением по часовой стрелке, а что – против. Изображения для этой цели не хороши, потому что мы не можем сказать, с правильной ли киральностью мы их интерпретировали. Нельзя использовать и какие-то физические указания, основанные на электромагнетизме, потому что электромагнитная сила в равной степени влияет и на левое, и на правое. То же самое касается и сильного взаимодействия. Таким образом, нам может помочь только слабое взаимодействие.

То, чего мы смогли бы в конце концов достичь в нашей кропотливой работе по созданию общего межпланетного языка, – это обмен инструкциями о том, как поставить эксперимент по исследованию четности атома.

В 1957 году Ву Цзяньсюн и ее коллеги из Колумбийского университета провели эксперимент, который доказал, что слабое взаимодействие действительно нарушает симметрию четности. В рамках оригинального эксперимента физики взяли атомные ядра, которые подвергались процессу бета-распада, управляемого, как мы знаем, слабым взаимодействием, и упорядочили их с помощью магнитного поля таким образом, чтобы спины были ориентированы вдоль направления этого магнитного поля. Отражение в зеркале не влияет на магнитное поле (электромагнетизм сохраняет четность), но ориентация спина меняется. Наблюдения электронов – результатов бета-распада показывают, что электроны по большей части излучаются в сторону, противоположную ориентации спина ядра. Таким образом, они будут указывать в сторону, противоположную ориентации магнитного поля. Последнее означает, что мы можем согласиться с нашим космическим инопланетным другом в том, что понятие «против часовой стрелки» соответствует направлению вращения спина электрона, как оно выглядело бы, если смотреть вдоль линий магнитного поля. Понятие «по часовой стрелке» – это, соответственно, в противоположную сторону. Таким образом, понятия «правое» и «левое» можно однозначно определить, а значит, мы сможем понять, подойдут наши конфеты или нет.

Слабое взаимодействие навсегда изменило наше представление о физике. Оно прокладывает воздушные мосты между всеми городами на нашей карте, даже к недоступным нейтрино. Но не все обитатели этих городов могут воспользоваться аэропортом. Все «правосторонние» не могут летать. И несмотря на то, что в повседневной жизни слабое взаимодействие проявляется не так ярко и заметно, оно оказывает самое масштабное и основополагающее влияние на устройство Вселенной. Слабое взаимодействие позволяет Солнцу гореть, а частицам тяжелого поколения – распадаться на обычное окружающее нас вещество. Слабое взаимодействие имеет и другие уникальные качества, которые мы будем исследовать дальше, когда полетим по воздуху.