Чувствуем ли мы внутригалактическое поле?
Вплоть до середины прошлого века теоретики предполагали, а экспериментаторы гарантировали, что абсолютно все превращения элементарных частиц инвариантны относительно зеркальной симметрии. Это означает, что любой процесс с их участием не изменится от отражения в плоском зеркале, как бы его ни расположить в пространстве, — или, что то же самое, от замены правого на левое, а левого на правое. Физики называют такую инвариантность сохранением четности. Она кажется очевидной и естественной, поскольку различия между правым и левым вроде бы совершенно условны. Из четырех фундаментальных взаимодействий — гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого — первые три действительно подчиняются закону сохранения четности, причем полностью и без исключений. Однако в слабых взаимодействиях (например, в процессах бета-распада атомных ядер) четность не сохраняется. Можно сказать, что превращения частиц, управляемые слабым взаимодействием, реагируют на разницу между правым и левым. Эта его особенность была теоретически предсказана в 1956 году и вскоре подтверждена в эксперименте.
Напра…нале…во!
Несохранение четности в слабых взаимодействиях буквально свалилось физикам на голову и было воспринято как неприятный парадокс. Теоретики сразу же предположили, что симметрия между левым и правым все же существует, но проявляется не настолько «в лоб», как считали раньше. За несколько лет до открытия несохранения четности несколько физиков выдвинули гипотезу, что зеркальным образом любой частицы может быть ее античастица. Эта идея позволила предположить, что закон сохранения четности можно спасти, если потребовать, чтобы зеркальное отражение сопровождалось переходом к античастицам. Однако и такая уловка не помогла. Уже в 1964 году американские исследователи Джеймс Кронин и Вэл Фитч в экспериментах, проведенных на синхротроне с переменным градиентом Брукхейвенской национальной лаборатории, показали, что долгоживущие нейтральные К-мезоны распадаются со слабым несохранением такой вот обобщенной (как говорят физики, комбинированной) четности. За это открытие они в 1980 году получили Нобелевскую премию по физике. А в 2001 году эксперименты BaBar на линейном ускорителе в Стэнфорде (SLAC) и Belle на ускорителе японского Института высоких энергий (KEK) доказали, что в распадах нейтральных D-мезонов и B-мезонов комбинированная четность тоже не сохраняется.
CP-инверсией в физике называют одновременную инверсию зарядового сопряжения (обозначаемого буквой C, charge), превращающего частицу в античастицу, и инверсию четности (P, parity), которая зеркально «отображает» частицу, меняя местами «право» и «лево». Сильное и электромагнитное взаимодействие относительно CP-инверсии симметричны (как говорят физики, инвариантны), а вот слабое взаимодействие — нет, что и наблюдается в некоторых процессах распада. В частности, нейтральные каоны (К-мезоны, состоящие из s-антикварка и d- или u-кварка) осциллируют, то есть превращаются в античастицы и наоборот. Вероятности превращения в прямом и обратном направлении не равны между собой, и это косвенным образом свидетельствует о нарушении CP-симметрии.
Неудачное место
Согласно стандартной теории элементарных частиц, несохранение четности — фундаментальное свойство слабого взаимодействия. Против этого как раз и возражает физик Марк Хэдли из британского Университета Уорик. Он допускает, что слабое взаимодействие сохраняет четность, но мы этого не замечаем, поскольку… находимся в неподходящем месте Вселенной. Земля обращается вокруг Солнца, которое вместе с прочими звездами движется вокруг центра нашей Галактики. Оба движения увлекают за собой пространство — время, искажая его метрику. Поправки, вызванные орбитальным вращением Земли, ничтожны, чего нельзя сказать о галактическом вращении, в котором участвуют сотни миллиардов звезд. Оно создает в пространстве выделенное направление — то самое, куда смотрит вектор галактического момента импульса. Поэтому внутригалактическое пространство не обладает зеркальной симметрией, так что ее не обязаны блюсти и превращения элементарных частиц.
Хэдли считает, что увлечение пространства — времени, вызванное вращением Галактики, создает нечто вроде силового поля, по‑разному влияющего на частицы и античастицы. Но влияние проявляется не универсально, а зависит от типа частиц и тех процессов, в которых они участвуют. По мнению Хэдли, сильнее всего внутригалактическое поле чувствуют именно те частицы, в распадах которых не сохраняется даже комбинированная четность.
Ориентировать по галактике
Из гипотезы Хэдли следует, что результаты экспериментов, поставленных ради проверки сохранения четности, зависят от того, где эти эксперименты выполняются. В небольшой сферической галактике с малым моментом вращения четность сохранялась бы куда лучше, чем на Земле, а где-нибудь в пустом глубоком космосе любые зеркальные отражения вообще бы ничего не меняли. По той же логике вблизи быстро вращающихся нейтронных звезд закон сохранения четности просто трещал бы по швам. Такой вот релятивизм, вызванный влиянием гравитационных эффектов на превращения элементарных частиц.
Хэдли считает, что проверить этот эффект можно на Земле, уже в настоящее время. Для этого надо посмотреть, не меняется ли характер несоблюдения четности в зависимости от направления разлета частиц по отношению к вектору галактического вращения. Хэдли даже допускает, что для этого хватит анализа данных, уже накопленных в экспериментах на ускорителях. И если эффект подтвердится, вполне возможно, что на чертежах ускорителей будущего будут стоять не только земные, но и галактические координаты.
