Внутренние симметрии и законы сохранения

Внутренние симметрии действуют в микромире и описывают разные аспекты взаимопревращений элементарных частиц друг в друга.

1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. В этом состоит закон сохранения электрического заряда. Он органически входит в структуру современных физических теорий, но глубинные причины выполнения закона сохранения электрического заряда остаются неизвестными.

2. На основе экспериментальных наблюдений выведен закон сохранения барионного заряда. В соответствии с ним разность между числом барионов и антибарионов, участвующих в сильном взаимодействии, не изменяется при любых процессах. Следствием этого закона является требование стабильности протона (самая легкая частица-барион), который не распадается на другие элементарные частицы. Тем не менее, современные теории слабого и сильного взаимодействий требуют признания возможности распада протона, так как без этого невозможно объяснить, почему во Вселенной вещества больше, чем антивещества. Правда, пока распад протона не обнаружен.

3. Аналогично обстоит дело и с легкими элементарными частицами – лептонами. Разность числа лептонов и антилептонов не изменяется при превращениях элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения лептотого заряда.

Подобно закону сохранения барионного заряда, закон сохранения лептонного заряда выведен экспериментально и носит описательный характер. Глубинные причины проявления закономерностей такого рода науке пока неизвестны. И хотя случаев нарушения этих двух законов пока не зафиксировано, некоторые современные теории физического взаимодействия говорят о такой возможности.

4. Уже давно известна внутренняя симметрия, названная изотопической инвариантностью. Хорошо известны такие элементарные частицы, как протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра. Они очень похожи друг на друга. Их массы отличаются всего лишь на 0,1%, у них одинаковые значения спина (1/2) и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственное, чем они отличаются, это наличие у протона электрического заряда и отсутствие такового у нейтрона. Но этот заряд имеет значение лишь в случае электромагнитного взаимодействия. Если же мы рассматриваем сильное ядерное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны в атомном ядре, электрический заряд не играет никакой роли. Поэтому в сильном взаимодействии протон и нейтрон ведут себя одинаково, как если бы это была одна и та же частица. В сильном взаимодействии протон вполне может заменить нейтрон, и наоборот. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протоны и нейтроны как два различных состояния одной частицы – нуклона. В этом и заключается проявление симметрии.

Для описания данной ситуации была введена особая величина – изотопический спин. Слово «изотопический» здесь связано с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами, а свойства симметрии, о которой идет речь, аналогичны свойствам собственного спина.

Таким образом, был сформулирован закон сохранения изотопического спина, который выполняется только при сильных взаимодействиях, но нарушается при слабых и электромагнитных взаимодействиях.

5. Последняя известная сегодня внутренняя симметрия позволила сформулировать закон сохранения странности. Странность – это квантовое число, характеристика адронов, частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. В сильных взаимодействиях сумма странностей частиц, участвующих в них, остается неизменной. При слабых взаимодействиях значение странности меняется.