CP megsértése

Az elemi részecskefizikában a CP - invariancia  megsértése a kombinált paritás (CP-szimmetria) megsértése, vagyis a fizika törvényeinek nem változatlansága a tükörreflexiós művelet tekintetében az összes részecske egyidejű helyettesítésével. antirészecskék. Fontos szerepet játszik a kozmológiai elméletekben, amelyek megpróbálják megmagyarázni az anyag dominanciáját az antianyag felett univerzumunkban . A CP - szimmetria-törés felfedezését 1964 - ben a semleges kaonok bomlási folyamataiban 1980 -ban fizikai Nobel-díjjal jutalmazták ( James Cronin és Val Fitch ). 1967-ben A. D. Szaharov kimutatta, hogy a CP megsértése az egyik szükséges feltétele az antianyag szinte teljes megsemmisítésének az Univerzum fejlődésének korai szakaszában. 1973-ban Makoto Kobayashi és Toshihide Maskawa megjósolta egy harmadik generáció létezését, amikor megpróbálták magyarázatot találni a CP megsértésére a semleges kaonok bomlásában, és Nicola Cabibbo ötletéből kiindulva , hogy két kvarkgenerációt keverjenek össze. Valójában a b - kvarkot 1977-ben, a t - kvarkot 1995-ben fedezték fel. A B- és anti - B - mezonok tulajdonságainak  Kobayashi és Maskawa elmélete által megjósolt különbségeit , beleértve a CP közvetlen megsértését, a BaBar és Belle -ben fedezték fel. 2002 és 2007 között kísérleteztek, megnyitva az utat a 2008 -as fizikai Nobel-díjhoz .

Mi az a CP?

A CP két szimmetria  szorzata : C a töltéskonjugáció , amely egy részecskét antirészecskéjévé alakít , és P a paritás , amely a fizikai rendszer tükörképét hozza létre. Az erős erő és az elektromágneses erő invariáns a kombinált CP transzformációs művelet során, de ez a szimmetria enyhén megbomlik bizonyos típusú gyenge csillapítások során . Történelmileg a CP szimmetriát a rend helyreállítására javasolták, miután az 1950 -es években felfedezték a paritássértést .

A paritásszimmetria gondolata az, hogy a fizika egyenletei invariánsak a tükörinverzió alatt. Ez ahhoz az előrejelzéshez vezet, hogy egy reakció (például kémiai reakció vagy radioaktív bomlás ) tükörképe ugyanúgy megy végbe, mint maga a reakció. A paritásszimmetria minden olyan reakciónál megfigyelhető, amely csak elektromágnesességgel és erős kölcsönhatásokkal jár . 1956-ig a paritás megmaradásának törvényét a megmaradás egyik alapvető geometriai törvényének tartották (valamint az energia -megmaradás törvényét és az impulzusmegmaradás törvényét ). 1956-ban azonban Zhengdao Li és Zhenning Yang fizikusok a felhalmozott kísérleti adatok gondos kritikai elemzése feltárta, hogy a paritás megőrzését nem tesztelték gyenge kölcsönhatási folyamatokban. Számos lehetséges kísérletet javasoltak. Az első kísérlet a kobalt-60 atommagok béta-bomlásán alapult, és 1956-ban hajtotta végre egy Wu Jianxiong által vezetett csoport . Ennek eredményeként kiderült, hogy a P-szimmetria erősen sérül a gyenge kölcsönhatási folyamatokban, vagy, mint látható, egyes reakciók nem fordulnak elő olyan gyakran, mint tükörtársaik.

Általánosságban elmondható, hogy a kvantumtérelmélet alapvetően szimmetriát igényel a CPT transzformációk során, amikor a tükörreflexiót és a töltéskonjugációt időfordítás egészíti ki. Ezért, ha a P-szimmetria megtörik, egy kvantummechanikai rendszer teljes CPT-szimmetriája megőrizhető, ha egy másik S szimmetriát találunk , így az általános SP -szimmetria töretlen marad. Ezt a trükkös helyet a Hilbert-tér szerkezetében röviddel a paritássértés felfedezése után felismerték, és a töltéskonjugációt javasolták a rend helyreállításának kívánt szimmetriájaként.

Egyszerűen fogalmazva, a töltéskonjugáció egy egyszerű szimmetria a részecskék és az antirészecskék között, ezért a CP szimmetriát 1957-ben javasolta Lev Landau , mint valódi szimmetriát az anyag és az antianyag között. Más szóval, egy olyan folyamat, amelyben minden részecske az antirészecskéivel együtt változik, egyenértékűnek tekintendő ennek a folyamatnak a tükörképével.

CP-szimmetriatörés

1964 -ben James Cronin és Val Fitch megmutatta (először a dubnai 12. ICHEP konferencián jelentette be ), hogy a CP szimmetria is megtörhető, amiért 1980-ban megkapták a fizikai Nobel-díjat . Felfedezésük azt mutatta, hogy a gyenge kölcsönhatások nem csak a A részecskék és antirészecskék közötti C töltéskonjugáció és a P paritásszimmetria, hanem ezek kombinációja is. A felfedezés sokkolta a részecskefizikát, és olyan kérdéseket vetett fel, amelyek még mindig központi szerepet töltenek be a részecskefizikában és a kozmológiában. A pontos CP szimmetria hiánya, de ugyanakkor az a tény, hogy a szimmetria szinte megfigyelhető, nagy rejtélyt teremtett.

1964- ben Christenson, Cronin, Fitch és Turley a CP-szimmetria megsértését fedezték fel a kaon -bomlási kísérletekben ; a fizikai jelenségekben a szimmetriának csak egy gyengébb (de alapvetőbb) változata őrződik meg - CPT invariancia . A C és P mellett van egy harmadik művelet - az időfordítás (T), amely a mozgás megfordíthatóságának felel meg. Az időfordítás invarianciája azt jelenti, hogy ha a mozgást a fizika törvényei megengedik, akkor a fordított mozgás is megengedett. A CPT kombinációja az alapvető kölcsönhatások minden típusának pontos szimmetriáját alkotja. A CPT szimmetria miatt a CP szimmetriatörés egyenértékű a T-szimmetriatöréssel . A CP-szimmetria megsértése azt jelenti, hogy a T nem marad fenn, azon a feltételezésen alapulva, hogy a CPT-tétel igaz. Ebben a tételben, amelyet a kvantumtérelmélet egyik alapelvének tartanak, együtt alkalmazzák a töltéskonjugációt, a paritást és az időfordítást.

Az 1964-ben felfedezett CP-sértés típusa annak volt köszönhető, hogy a semleges kaonok átalakulhatnak antirészecskéivé (amelyben a kvarkokat antikvarkok váltják fel) és fordítva, de egy ilyen átalakulás nem megy végbe egyforma valószínűséggel mindkét irányban; ezt indirekt CP-szimmetria-sértésnek nevezték.

A nagyszabású kutatások ellenére a CP-szimmetria megsértésének egyéb jeleit nem ismerték egészen az 1990-es évekig, amikor is a CERN -ben a NA31 kísérlet eredményei CP-szimmetria-sértést bizonyítottak ugyanazon semleges kaonok bomlási folyamataiban, az ún. CP-szimmetria megsértése. A felfedezés ellentmondásos volt, és a végső bizonyíték csak 1999-ben érkezett meg a Fermilabban végzett KTeV és a CERN NA48 kísérletei után .

2001-ben a kísérletek új generációja, köztük a Stanford Linear Accelerator Centerben ( SLAC ) végzett BaBar -kísérlet és a High Energy Accelerator Research Organisation Japan ( KEK ) Belle - kísérlete , a CP-sértést figyelték meg B-mezonok használatakor [1] . E kísérletek előtt fennállt annak a lehetősége, hogy a CP megsértése a kaon fizikára korlátozódott. Ezek a kísérletek eloszlattak minden kétséget, hogy a Standard Modell interakciói sértik a CP-t. 2007-ben hasonló kísérletek direkt CP-sértést mutattak ki B-mezonok esetében is (lásd referenciák).

A CP megsértését a Standard Modell tartalmazza azáltal, hogy a kvark keverést leíró CKM mátrixba belefoglalja a komplex fázist . Egy ilyen sémában az összetett fázis megjelenésének és a CP szimmetria megsértésének szükséges feltétele a kvark legalább három generációjának megléte.

Nincs kísérleti bizonyíték a CP megsértésére a kvantumkromodinamika területén ; lásd lejjebb.

Erős CP probléma

A részecskefizikában az erős CP-probléma  az a rejtélyes kérdés, hogy miért nem sérül a CP-szimmetria a kvantumkromodinamikában (QCD).

A QCD nem töri meg a CP szimmetriát olyan egyszerűen, mint az elektrogyenge elmélet ; Ellentétben az elektrogyenge elmélettel, amelyben a mérőmezők fermionikus mezők által létrehozott királis áramokká kapcsolódnak, a gluonok vektoráramokká kapcsolódnak. A kísérletek nem mutatják a CP szimmetria megsértését a QCD régióban. Például egy általános CP megsértés a QCD régióban elektromos dipólusmomentumot hozna létre a neutronon , amely nagyságrendileg (elektron töltési idő mérő), míg a kísérleti felső korlát körülbelül billiószor kisebb.

A szimmetriatörés kísérleti megerősítésének hiánya ellenére a QCD Lagrange természetes kifejezéseket tartalmaz, amelyek megtörhetik a CP szimmetriát.

A QCD szög és a kvark tömeg királis fázisának nullától eltérő megválasztása esetén a CP szimmetria megtörésére számíthatunk. Általában úgy gondolják, hogy a kvark tömegének királis fázisa hozzájárulhat a teljes effektív szöghez, de megmagyarázhatatlan, hogy miért olyan kicsi ez a szög a 0 és 2π közötti tetszőleges érték helyett; a nullához nagyon közel álló -angle értéket (ebben az esetben) ennek az elméletnek a hívei a finomhangolás példájaként említik .

Az erős CP probléma legismertebb megoldása  a Peccei-Quinn elmélet . Ebben az elméletben a θ-paraméter dinamikus mezővé válik, nem pedig külső állandóvá. Mivel a kvantumtérelméletben minden mező egy részecskét hoz létre, ennek a dinamikus mezőnek meg kell felelnie egy hipotetikus részecskének, amelyet axionnak neveznek . Az elméletet 1977-ben Roberto Peccei és Helen Quinn javasolta .

A CP megsértése és egyensúlyhiány az anyag és az antianyag között

A fizika egyik megválaszolatlan elméleti kérdése az, hogy az univerzum miért áll többnyire anyagból, és miért nem egyenlő arányú anyagból és antianyagból . Kimutatható, hogy ahhoz, hogy a kezdeti egyensúlyból egyensúlytalanságot hozzunk létre az anyag és az antianyag között , a Szaharov-feltételeknek teljesülniük kell, amelyek közül az egyik a CP szimmetria megsértése az Ősrobbanást követő első másodpercek szélsőséges körülményei között . Azok a magyarázatok, amelyek nem használnak CP-sértést, kevésbé sikeresek, mert azon a feltételezésen alapulnak, hogy az anyag-antianyag egyensúlyhiány kezdettől fogva fennállt, vagy más egzotikus feltételezésekre (lásd az univerzum állapotának kezdeti értékeinek problémáját ).

Az ősrobbanás után a közhiedelem szerint egyenlő mennyiségű anyagnak és antianyagnak kellett volna megjelennie, ha megmarad a CP szimmetria; ebben az esetben mindkettő teljes megsemmisülése történne . Vagyis a nukleonok megsemmisülnek antinukleonokkal, az elektronok a pozitronokkal , és így tovább minden elemi részecske esetében. Ez fotontengerhez vezetne egy univerzumban, ahol nincs más anyag. Mivel nyilvánvaló, hogy Univerzumunk nem fotontenger más anyag nélkül, az Ősrobbanás után a fizikai törvények másként hatnak az anyagra és az antianyagra, vagyis megsértették a CP szimmetriát.

A Standard Modell csak két módot feltételez a CP szimmetria megtörésére. Az egyik, fentebb tárgyalt, a QCD Lagrange-ban található, és kísérletileg nem bizonyított; várható, hogy vagy a szimmetriatörés hiányához, vagy a szimmetria sokkal erősebb megsértéséhez vezet. A második, a gyenge interakciót alkalmazó kísérletileg igazolt, de a CP-sértéseknek csak egy kis részét magyarázza. Ennek megfelelően szükséges, hogy Univerzumunk kezdeti feltételei már tartalmazzák az antianyaghoz képest többletanyagot.

Mivel a Standard Modell nem magyarázza pontosan ezeket az eltéréseket, világossá válik, hogy a jelenlegi Standard Modellben komoly lyukak vannak (a nyilvánvaló probléma mellett, hogy a gravitáció szerepel benne). Ezen túlmenően a CP-vel kapcsolatos lyukak kitöltésére irányuló kísérletek nem igényelnek szinte lehetetlen energiákat, ahogyan azt a kvantumgravitáció kutatása megköveteli (lásd Planck tömeg ).

Lásd még

• Szupergyenge interakció

Irodalom

• GC Branco, R. González Felipe, FR Joaquim. Leptonikus CP-sértés  (angol)  // Rev. Mod. Phys. . - 2012. - Kt. 84 . - P. 515-565 . - doi : 10.1103/RevModPhys.84.515 .

Linkek

• A. D. Szaharov. CP megsértése, C-aszimmetria és Baryon aszimmetria az Univerzumban . - A Szovjetunió Tudományos Akadémiája, 1967.  (Orosz) [2]
• G. C. Branco, L. Lavoura és J. P. Silva. CP  megsértése . – Oxford University Press , 1999.
• I. Bigi és A. Sanda. CP megsértése  (neopr.) . – Cambridge University Press , 1999.
• Michael Beyer (szerkesztő). CP megsértése a részecske- , nukleáris- és asztrofizikában  . - Springer, 2002. (Bevezető esszék gyűjteménye a témában, a kísérleti adatokra helyezve a hangsúlyt.)
• L. Wolfenstein. CP megsértése  (neopr.) . - Észak-Hollandia, Amszterdam, 1989. (A témával foglalkozó különböző fontos cikkek újranyomatainak összeállítása, beleértve T. D. Lee, Cronin, Fitch, Kobayashi, Maskawa és sok más cikkeit.)
• David J. Griffiths. Bevezetés az elemi részecskékbe  (neopr.) . - Wiley, John & Sons, Inc., 1987.
• I. Bigi, a CP megsértése, alapvető rejtély a Nature nagyszerű tervében . Előadás a XXV ITEP Winter School in Physics-ben, 1997. február 18-27., Moszkva, Oroszország, a "Fronts of Modern Physics", 1997. május 11-16., Vanderbilt Egyetem, Nashville, USA, és a Nemzetközi Iskolában fizika „Enrico Fermi”, CXXXVII. kurzus „Nehéz ízek fizika: a természet nagyszerű tervezésének próbája”, Varenna, Olaszország, 1997. július 8-18. hep-ph/9803479.
• Davide Castelvecchi: Mi a közvetlen CP-sértés? , Stanford Lineáris Accelerator (SLAC)
• A BaBar együttműködés. A CP megsértésének megfigyelése B0 -> K+pi- és B0 -> pi+pi-  (angol) . — Physical Review Letters, 2007. (Az első megfigyelés, amelynek statisztikai szignifikanciája nagyobb, mint a közvetlen CP-sértés 5 szórása B-mezon bomlás esetén, nem kapcsolódik a B0 és az anti-B0 mezonok keveredéséhez) [3] . Lásd még: Phys. Fordulat. Lett. 93, 131801 (2004) [4] és Phys. Fordulat. Lett. 98, 211801 (2007) [5] .

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)