ОСЦИЛЛЯ́ЦИИ
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ОСЦИЛЛЯ́ЦИИ (от лат. oscillo – качаться) элементарных частиц, периодический во времени или в пространстве процесс полного или частичного превращения частиц одного типа (А) в другой (В) и обратно в процессе их распространения в веществе: А → В → А → В →... Частицы A и B различаются определёнными квантовыми числами (напр., странностью, очарованием, лептонным зарядом), которые в процессе О. изменяются. О. частицы, рождённой как А, описываются вероятностью обнаружить частицу В в момент времени $t$ или на расстоянии $x$ от области рождения. Эта вероятность периодически меняется со временем или с расстоянием.
О. являются следствием смешивания частиц. В вакууме смешивание означает, что частицы, возникающие, напр., в сильных или слабых взаимодействиях, не имеют определённых масс, но их состояния представляют собой когерентные комбинации двух (и более) компонент с определёнными, но различающимися массами (т. н. массовых состояний). О. – результат монотонного роста разности фаз $\Delta \phi$ между массовыми состояниями (компонентами) в процессе распространения частиц. Увеличение $\Delta \phi$ изменяет интерференцию между компонентами и, следовательно, взаимодействие всего состояния частицы.
О. характеризуются периодом или длиной и глубиной (амплитудой). Смешивание двух частиц описывается одним т. н. углом смешивания $\theta$; при этом $\cos \theta$ и $\sin \theta$ определяют примеси массовых состояний в данном состоянии частицы. В этом случае О. определяются одной разностью фаз. Если в начальный момент фаза осцилляций $\phi$ равна нулю, то наибольшее отклонение от начального состояния достигается в момент времени, когда $\phi=$180°. Период О. $T_{осц}$ равен интервалу времени, в течение которого фаза О. меняется на 360° и, следовательно, частица возвращается в исходное состояние. Соответственно длина О. – это расстояние, на котором частица возвращается в исходное состояние. Период О. обратно пропорционален разности энергий собств. состояний $\Delta \mathscr E$ (при их равных импульсах): $T_{осц}=2\pi/\Delta \mathscr E$ . Глубина О. определяется величиной смешивания $\sin^2(2\theta)$. В случае малого угла $\theta$ О. происходят с малой глубиной; при этом исходное состояние частицы превращается в др. состояние только частично. В случае макс. смешивания (при $\theta=$ 45°) массовые состояния входят с равными весами и частицы превращаются одна в другую полностью: О. происходят с макс. глубиной. Смешивание (и, следовательно, О.) – результат существования взаимодействий, которые трансформируют частицу А в частицу В.
Наблюдение О. возможно, если размеры областей рождения и детектирования частиц меньше длины О. В противном случае будет наблюдаться усреднённый эффект О., при котором примеси осциллирующих частиц не изменяются с расстоянием, временем и энергией.
При распространении частиц в веществе угол смешивания и разность энергий, а следовательно, глубина и длина О. отличаются от соответствующих характеристик в вакууме. Эти характеристики зависят от энергии частиц и от плотности среды. При определённой энергии или плотности смешивание может стать максимальным и, следовательно, О. будут происходить с макс. глубиной. В этом случае реализуется их резонансное усиление.
О. непосредственно проявляются в том, что в пучке частиц, состоящем первоначально из частиц А, в процессе распространения периодически появляется и исчезает примесь частиц В. Детекторы, расположенные на разных расстояниях от источника А (или на одном расстоянии, но при разных энергиях частиц), будут регистрировать разные примеси частиц В и разное подавление потока частиц А. Экспериментально обнаружены О. нейтральных мезонов и нейтрино. Для нейтральных мезонов имеют место О. частица – античастица, происходящие с макс. глубиной. Период О. в системе покоя мезонов определяется разностью масс $\Delta M$ составляющих компонент. Времена распадов мезонов сравнимы с периодами О., поэтому распады изменяют картину О. Отношение $\Delta M/Г$ (Γ – скорость распада) определяет число периодов О. за время жизни мезонов.
О. нейтральных K-мезонов $K^0 \leftrightarrow \tilde{K}^0$ происходят с изменением странности с периодом $T_{осц}=$ 1,2 нс (в системе покоя) и $\Delta M/Г=$2,7·102. Из-за распада $\text{K}_S$-компоненты полного состояния О. прекращаются. При распространении в веществе в результате взаимодействия $\text K_L$-компоненты с веществом рождается $\text K_S$-компонента, т. е. происходит её регенерация и О. продолжаются. О. В-мезонов $B^0_d \leftrightarrow \tilde{B}^0_d$ происходят с изменением красоты c $T_{осц}=$12,4 нс и $\Delta M/Г=$0,77. В О. мезонов изменяется и красота, и странность; их период $T_{осц}=$0,35 нс и $\Delta M/Г=$26. Обнаружено смешивание мезонов с изменением очарования, однако в этом случае $\Delta M/Г=$0,008 и О. не успевают развиться за время жизни $D^0$-мезона. Изучение О. мезонов позволяет измерить разности их масс $\Delta M$.
О. нейтрино являются следствием смешивания 3 типов (ароматов) нейтрино – $\nu_e$, $\nu_\mu$ и $\nu_\tau$ (и соответственно 3 типов антинейтрино), которые представляют собой комбинации 3 состояний с определёнными массами. Такое смешивание описывается тремя углами и одной фазой, нарушающей СР-симметрию (см. Нейтринные осцилляции).
Измерение параметров О. позволяет определить фундам. параметры частиц: разности масс мезонов, а также углы смешивания и разности квадратов масс нейтрино.