Зарядовое сопряжение

Заря́довое сопряже́ние (С-преобразование) — операция замены частицы на соответствующую античастицу (напр., электрона на позитрон).

Оператор зарядового сопряжения обозначается ${\displaystyle {\hat {C}}}$. По определению, ${\displaystyle {\tilde {X}}={\hat {C}}X}$, где${\displaystyle X}$ — волновая функция частицы, ${\displaystyle {\tilde {X}}}$ — волновая функция античастицы. Оператор зарядового сопряжения ${\displaystyle {\hat {C}}}$ является эрмитовым, поэтому он описывает некоторую физическую величину. При измерении этой физической величины можно получить лишь одно из собственных значений ${\displaystyle \eta _{C}}$ оператора ${\displaystyle {\hat {C}}}$: ${\displaystyle {\hat {C}}X=\eta _{C}X}$. Квантовое число ${\displaystyle \eta _{C}}$ называется зарядовой чётностью^[1][2].

Зарядовая чётность

Зарядовая чётность (С-чётность) — одно из квантовых чисел истинно нейтральной частицы (или другой квантовомеханической системы), определяющее поведение её вектора состояний при зарядовом сопряжении. При операции зарядового сопряжения волновая функция такой частицы умножается на значение С-чётности, то есть меняет знак (зарядово нечётная частица) либо остаётся прежней (зарядово чётная частица). С-чётность является мультипликативным квантовым числом.

В сильных, электромагнитных и, согласно общей теории относительности, гравитационных взаимодействиях^[3] выполняется закон сохранения зарядовой чётности, в слабом взаимодействии он нарушается^[4]. Это следует уже из первого опыта Ву Цзяньсюн с сотрудниками, доказавшего несохранение пространственной чётности в слабом взаимодействии.

Зарядовая чётность фотона отрицательна: С = −1 (это можно увидеть из того, что при зарядовом сопряжении электрические заряды меняют знак, поэтому и электромагнитные поля, квантами которых являются фотоны, тоже должны изменить знак, чтобы эволюция системы не изменилась). В любых процессах, обусловленных электромагнитным или сильным взаимодействием, зарядовая чётность сохраняется. Вследствие этого, при любых электромагнитных процессах невозможно превращение нечётного числа фотонов в чётное и наоборот (теорема Фарри).

Зарядовая чётность пиона ${\displaystyle \pi ^{0}}$ положительна. Это следует из его распада на два фотона за счёт электромагнитного взаимодействия: ${\displaystyle \pi ^{0}\rightarrow \gamma +\gamma }$. В силу сохранения зарядовой чётности получаем: ${\displaystyle \eta _{C}(\pi ^{0})=\eta _{C}(2\gamma )}$. Зарядовая чётность является мультипликативным квантовым числом, поэтому ${\displaystyle \eta _{C}(\pi ^{0})=\eta _{C}(\gamma )\eta _{C}(\gamma )=(-1)\cdot (-1)=+1}$^[1].

Симметрия в физике
Преобразование	Соответствующая инвариантность	Соответствующий закон сохранения
↕ Трансляции времени	Однородность времени	…энергии
⊠ C, P, CP и T-симметрии	Изотропность времени	…чётности
↔ Трансляции пространства	Однородность пространства	…импульса
↺ Вращения пространства	Изотропность пространства	…момента импульса
⇆ Группа Лоренца (бусты)	Относительность лоренц-ковариантность	…движения центра масс
~ Калибровочное преобразование	Калибровочная инвариантность	…заряда

См. также

• Истинно нейтральная частица

Примечания

1. Наумов А. И. Физика атомного ядра и элементарных частиц (рус.). — М.: Просвещение, 1984. — С. 276—277.
2. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Квантовая механика (рус.). — М.: Наука, 1972. — С. 306—308.
3. Паули В. Нарушение зеркальной симметрии в законах атомной физики // Теоретическая физика 20 века. Памяти Вольфганга Паули (рус.). — М.: ИЛ, 1962. — С. 383.
4. Герштейн С. С. Зарядовое сопряжение // Физика микромира : маленькая энциклопедия / Гл. ред. Д. В. Ширков. — М.: Советская энциклопедия, 1980. — С. 172. — 528 с. — 50 000 экз.