Парапозитроний может распадаться на три фотона, хотя это запрещено законом сохранения зарядовой четности. Канадские физики-теоретики впервые вычислили вероятность такого распада и показали, что зарегистрировать его при текущей точности экспериментов нельзя. Статья опубликована в Physical Review D.

Позитронием называют экзотический атом, который состоит из обычного электрона и его античастицы с положительным зарядом — позитрона, который занимает место протона. Основным состоянием позитрония является парапозитроний (p-Ps), в котором спины частиц направлены в противоположные стороны (так что суммарный спин системы равен нулю). Если же спины частиц направлены в одну сторону (суммарный спин один), то система называется ортопозитронием (o-Ps).

A. Pokraka & A. Czarnecki / Phys. Rev. D

Квантовой системе можно сопоставить не только привычные для нас понятия энергии и импульса, но и некоторые особенные свойства, например, зарядовую четность (C-четность). Если при замене частицы на античастицу волновая функция системы остается прежней, то говорят, что С-четность такой системы равна одному, а если она меняет знак — то минус одному. Для системы фермион-антифермион при перестановке частиц необходимо учесть изменение пространственной и спиновой части волновой функции, и четность такой системы равна (−1)^L+S, где L — относительный орбитальный момент частиц, а S — суммарный спин. Несложно сообразить, что С-четность парапозитрония равна одному (L = 0, S = 0), а ортопозитрония — минус одному (L = 0, S = 1). Зарядовая четность системы из N фотонов равна (−1)^N.

В электромагнитных и сильных взаимодействиях зарядовая четность сохраняется (так называемый закон сохранения C-четности). Поэтому парапозитроний может распадаться только на четное число фотонов, а ортопозитроний — только на нечетное. Из-за этого, кстати, время жизни ортопозитрония гораздо больше, чем у его бесспиновой версии (почти на три порядка). С другой стороны, в слабых взаимодействиях зарядовая четность может и не сохраняться. В новой работе ученые учли слабое взаимодействие при распаде парапозитрония и показали, что он все-таки может аннигилировать с излучением трех фотонов.

Для этого теоретики вычислили однопетлевые поправки к сечению реакции, возникающие при учете взаимодействия с виртуальными W±-бозонами. Вклад Z-бозонов физики не учитывали, поскольку он пропорционален малому множителю 1 − 4sin²θ_w, где квадрат синуса угла смешивания слабого взаимодействия θw примерно равен 0,238, что близко к ¼. Кроме того, задачей ученых было показать, что такая реакция вообще возможна, а для этого достаточно вычислить поправки из-за W-бозонов. Также ученые не учитывали при расчете виртуальные фотоны, поскольку это не отвечает случаю нарушения зарядовой симметрии. В результате в первом порядке остается восемь диаграмм Фейнмана, изображенных на рисунке.

Однопетлевые диаграммы, описывающие реакцию p-Ps → 3γ. Диаграммы e, f расходятся, однако их вклад сокращается диаграммами g и h. A. Pokraka & A. Czarnecki / Phys. Rev. D

Выполнив соответствующие расчеты, физики нашли ширину распада парапозитрония на три фотона и  отношение числа таких реакций к общему числу аннигиляций с точностью до величины порядка m²_e/m²_W (m_e и m_W — массы электрона и W-бозонов соответственно). Оказалось, что хотя это отношение не равно нулю, оно очень мало (порядка 10⁻⁷⁷), то есть такие распады сильно подавлены по сравнению с аннигиляцией в два фотона. Это намного меньше, чем текущая чувствительность экспериментов по поиску нарушения С-симметрии. Таким образом, авторы заключают, что обнаружение подобных распадов в ближайшее время очень маловероятно и означало бы существование «новой физики» вне Стандартной модели.

Стоит заметить, что аннигиляцию парапозитрония в три фотона предсказывали еще в 1981 году двое физиков из Гейдельбергского университета. Тогда ученые оценили отношение числа таких реакций к числу двухфотонных распадов числом порядка 10⁻²⁷. Тем не менее, не ясно, каким способом они получили это число, поскольку физики не приводят подкрепляющих оценку вычислений. В опубликованной недавно в Physical Review D работе ученые вычислили это значение честно.

Ранее мы писали о том, как физики предложили ускорить производство антиводорода с помощью позитрония.

Автор: Дмитрий Трунин