CP-brott

I elementär partikelfysik är överträdelsen av CP - invarians  brottet mot kombinerad paritet (CP-symmetri), det vill säga icke-invariansen av fysikens lagar med avseende på spegelreflektionsoperationen med samtidig ersättning av alla partiklar med antipartiklar. Det spelar en viktig roll i teorierna om kosmologi som försöker förklara materiens dominans över antimateria i vårt universum . Upptäckten av att CP - symmetri bröts 1964 i neutrala kaoners förfallsprocesser belönades med 1980 års Nobelpris i fysik ( James Cronin och Val Fitch ). 1967 visade A. D. Sacharov att kränkning av CP var ett av de nödvändiga villkoren för den nästan fullständiga förintelsen av antimateria i ett tidigt skede av universums utveckling. 1973, när de försökte hitta en förklaring till CP- kränkningar i neutrala kaoners förfall och utgående från Nicola Cabibbos idé om att blanda två generationer kvarkar, förutspådde Makoto Kobayashi och Toshihide Maskawa existensen av en tredje. Faktum är att b -kvarken upptäcktes 1977 och t -kvarken 1995. Skillnaderna i egenskaperna hos B- och anti- B - mesoner  som förutspåddes av teorin om Kobayashi och Maskawa , inklusive direkt CP- kränkning, upptäcktes i BaBar och Belle experiment under 2002–2007 år, vilket banade väg för deras 2008 års Nobelpris i fysik .

Vad är CP?

CP  är produkten av två symmetrier : C är laddningskonjugation , som förvandlar en partikel till sin antipartikel , och P är paritet , vilket skapar en spegelbild av det fysiska systemet. Den starka kraften och den elektromagnetiska kraften är invarianta under den kombinerade CP-transformationsoperationen, men denna symmetri bryts något under vissa typer av svagt förfall . Historiskt föreslogs CP-symmetri för att återställa ordningen efter upptäckten av paritetskränkning på 1950 -talet .

Idén med paritetssymmetri är att fysikens ekvationer är invarianta under spegelinversion. Detta leder till förutsägelsen att spegelbilden av en reaktion (som en kemisk reaktion eller radioaktivt sönderfall ) sker på samma sätt som själva reaktionen. Paritetssymmetri observeras för alla reaktioner som endast är förknippade med elektromagnetism och starka interaktioner . Fram till 1956 ansågs lagen om bevarande av paritet vara en av de grundläggande geometriska lagarna för bevarande (liksom lagen om bevarande av energi och lagen om bevarande av momentum ). Men 1956 avslöjade en noggrann kritisk analys av de ackumulerade experimentella data av fysikerna Zhengdao Li och Zhenning Yang att paritetsbevarande inte hade testats i svaga interaktionsprocesser. De föreslog flera möjliga experiment. Det första experimentet var baserat på beta-sönderfallet av kobolt-60 kärnor och utfördes 1956 av en grupp ledd av Wu Jianxiong . Som ett resultat visade det sig att P-symmetrin kränks kraftigt i svaga interaktionsprocesser, eller, som kan visas, vissa reaktioner inträffar inte lika ofta som deras spegelmotsvarigheter.

I allmänhet kräver kvantfältteori i grunden symmetri under CPT-transformationer, när spegelreflektion och laddningskonjugering kompletteras med tidsomkastning. Därför, när P-symmetrin bryts, kan den fullständiga CPT-symmetrin för ett kvantmekaniskt system bevaras om en annan symmetri S hittas så att den allmänna SP -symmetrin förblir obruten. Denna knepiga plats i strukturen av Hilbert-rymden kändes igen kort efter upptäckten av paritetsöverträdelse, och laddningskonjugering föreslogs som den önskade symmetrin för att återställa ordningen.

Enkelt uttryckt är laddningskonjugering en enkel symmetri mellan partiklar och antipartiklar, så CP-symmetri föreslogs 1957 av Lev Landau som en sann symmetri mellan materia och antimateria. Med andra ord, en process där alla partiklar förändras med sina antipartiklar anses vara likvärdig med en spegelbild av denna process.

CP-symmetribrytning

1964 visade James Cronin och Val Fitch (först tillkännagavs vid den 12 :e ICHEP- konferensen i Dubna ) att CP-symmetri också kan brytas, vilket de fick Nobelpriset i fysik för 1980. Deras upptäckt visade att svaga interaktioner inte bara bryter mot laddningskonjugation C mellan partiklar och antipartiklar och paritetssymmetri P, men också deras kombination. Upptäckten chockade partikelfysiken och väckte frågor som fortfarande är centrala för partikelfysik och kosmologi. Avsaknaden av exakt CP-symmetri, men samtidigt det faktum att symmetrin nästan observeras, skapade ett stort mysterium.

1964 upptäckte Christenson, Cronin, Fitch och Turley brott mot CP-symmetri i experiment med kaon -förfall ; i fysiska fenomen bevaras endast en svagare (men också mer fundamental) version av symmetri - CPT-invarians . Förutom C och P finns det en tredje operation - tidsreversering (T), som motsvarar rörelsens reversibilitet. Tidsomkastningsinvarians innebär att om rörelse tillåts av fysikens lagar, så är omvänd rörelse också tillåten. Kombinationen av CPT utgör en exakt symmetri av alla typer av grundläggande interaktioner. På grund av CPT-symmetri är CP-symmetribrott likvärdigt med T-symmetribrott . CP-symmetriöverträdelsen innebär att T inte bevaras, baserat på antagandet att CPT-satsen är sann. I detta teorem, som anses vara en av de grundläggande principerna för kvantfältteorin , tillämpas laddningskonjugering, paritet och tidsomkastning tillsammans.

Den typ av CP-kränkning som upptäcktes 1964 berodde på det faktum att neutrala kaoner kan förvandlas till sina antipartiklar (där kvarkar ersätts med antikvarkar) och vice versa, men en sådan transformation sker inte med samma sannolikhet i båda riktningarna; detta har kallats indirekt CP-symmetriöverträdelse.

Trots storskaliga sökningar var inga andra tecken på CP-symmetriöverträdelse kända förrän på 1990-talet, då resultaten av NA31-experimentet vid CERN visade att CP-symmetribrott i sönderfallsprocesserna för alla samma neutrala kaoner, de så kallade direkta kaonerna, Brott mot CP-symmetri. Upptäckten var kontroversiell, och det slutliga beviset kom inte förrän 1999 efter KTeV-experimenten vid Fermilab och NA48- experimenten vid CERN .

År 2001 observerade en ny generation av experiment, inklusive BaBar-experimentet vid Stanford Linear Accelerator Center ( SLAC ) och Belle- experimentet vid High Energy Accelerator Research Organization Japan ( KEK ), CP-överträdelse vid användning av B-mesoner [1] . Före dessa experiment fanns det en möjlighet att CP-kränkning var begränsad till kaon-fysik. Dessa experiment skingrade alla tvivel om att standardmodellens interaktioner bryter mot CP. Under 2007 visade liknande experiment förekomsten av direkt CP-överträdelse även för B-mesoner (se referenser).

CP-överträdelse ingår i standardmodellen genom att inkludera den komplexa fasen i CKM-matrisen som beskriver kvargblandning . I ett sådant schema är ett nödvändigt villkor för uppkomsten av en komplex fas och brott mot CP-symmetri förekomsten av minst tre generationer kvarkar.

Det finns inga experimentella bevis för CP-kränkning i kvantkromodynamik ; se nedan.

Starkt CP-problem

Inom partikelfysik är det starka CP-problemet  den förbryllande frågan om varför CP-symmetri inte kränks i kvantkromodynamik (QCD).

QCD bryter inte CP-symmetri så enkelt som elektrosvag teori gör ; till skillnad från den elektrosvaga teorin, där mätfält kopplas till kirala strömmar skapade av fermioniska fält, kopplas gluoner till vektorströmmar. Experiment visar inte någon kränkning av CP-symmetri i QCD-regionen. Till exempel skulle en allmän CP-överträdelse i QCD-regionen skapa ett elektriskt dipolmoment på neutronen som skulle vara i storleksordningen (elektronladdningstider meter), medan den experimentella övre gränsen är ungefär en biljon gånger mindre.

Trots avsaknaden av experimentell bekräftelse på symmetribrott, innehåller QCD Lagrangian naturliga termer som kan bryta CP-symmetri.

Med ett val som inte är noll av QCD- vinkeln och den kirala fasen av kvarkmassan kan man förvänta sig att CP-symmetrin kommer att brytas. Det anses allmänt att kvarkmassans kirala fas kan bidra till den totala effektiva vinkeln, men det förblir oförklarat varför denna vinkel är så liten istället för ett godtyckligt värde mellan 0 och 2π; detta värde på -vinkel, mycket nära noll (i detta fall), nämns som ett exempel på finjustering av förespråkare för denna teori.

Den mest kända lösningen på det starka CP-problemet  är Peccei-Quinn-teorin . I denna teori blir θ-parametern ett dynamiskt fält snarare än en extern konstant. Eftersom i kvantfältteorin varje fält skapar en partikel, måste detta dynamiska fält motsvara en hypotetisk partikel som kallas en axion . Teorin föreslogs 1977 av Roberto Peccei och Helen Quinn .

CP-kränkning och obalans mellan materia och antimateria

En av de olösta teoretiska frågorna inom fysiken är varför universum till största delen består av materia och inte av lika delar materia och antimateria . Det kan visas att för att skapa en obalans mellan materia och antimateria från den initiala balansen måste Sacharovvillkoren vara uppfyllda , varav ett är kränkningen av CP-symmetri under de extrema förhållandena under de första sekunderna efter Big Bang . Förklaringar som inte använder CP-kränkning är mindre framgångsrika eftersom de förlitar sig på antagandet att en materia-antimateria-obalans existerade från början eller på andra exotiska antaganden (se problemet med de initiala värdena för universums tillstånd ).

Efter Big Bang, enligt folklig uppfattning, borde lika mängder materia och antimateria ha dykt upp om CP-symmetri bibehölls; i detta fall skulle det bli en total förintelse av båda. Det vill säga nukleoner skulle förintas med antinukleoner, elektroner med positroner och så vidare för alla elementarpartiklar. Detta skulle leda till ett hav av fotoner i ett universum utan annan materia. Eftersom det är uppenbart att vårt universum inte är ett hav av fotoner utan annan materia, efter Big Bang, verkade fysiska lagar annorlunda för materia och antimateria, det vill säga CP-symmetri bröts.

Standardmodellen antar endast två sätt att bryta CP-symmetri. En av dem, diskuterad ovan, finns i QCD Lagrangian och har inte bevisats experimentellt; det kan förväntas att det kommer att leda antingen till frånvaron av symmetribrott eller till en mycket starkare kränkning av denna symmetri. Den andra, med hjälp av den svaga interaktionen, har verifierats experimentellt, men kan bara förklara en liten del av CP-överträdelserna. Följaktligen är det nödvändigt att de initiala förhållandena i vårt universum redan innehåller ett överskott av materia över antimateria.

Eftersom standardmodellen inte exakt förklarar dessa avvikelser, blir det tydligt att den nuvarande standardmodellen har allvarliga hål (förutom det uppenbara problemet med införandet av gravitation i den). Dessutom kräver experiment för att fylla dessa CP-relaterade hål inte nästan omöjliga energier, som forskning om kvantgravitation kräver (se Planck mass ).

Se även

• Supersvag interaktion

Litteratur

• GC Branco, R. González Felipe, FR Joaquim. Leptonisk CP-kränkning  (engelska)  // Rev. Mod. Phys. . - 2012. - Vol. 84 . - s. 515-565 . - doi : 10.1103/RevModPhys.84.515 .

Länkar

• A. D. Sacharov. CP-överträdelse, C-asymmetri och universums baryonasymmetri . - Sovjetunionens vetenskapsakademi, 1967.  (ryska) [2]
• G.C. Branco, L. Lavoura och J.P. Silva. CP-  brott . — Oxford University Press , 1999.
• I. Bigi och A. Sanda. CP-överträdelse  (neopr.) . — Cambridge University Press , 1999.
• Michael Beyer (redaktör). CP-överträdelse inom partikel- , kärn- och astrofysik  . - Springer, 2002. (En samling inledande essäer om ämnet med tonvikt på experimentella data.)
• L. Wolfenstein. CP-överträdelse  (neopr.) . - North-Holland, Amsterdam, 1989. (Sammanställning av återtryck av olika viktiga artiklar i ämnet, inklusive artiklar av T. D. Lee, Cronin, Fitch, Kobayashi, Maskawa och många andra.)
• David J. Griffiths. Introduktion till elementarpartiklar  (neopr.) . - Wiley, John & Sons, Inc., 1987.
• I. Bigi, CP-överträdelse, ett väsentligt mysterium i naturens storslagna design . Föreläsning hölls vid XXV ITEP Winter School in Physics, 18-27 februari 1997, Moskva, Ryssland, vid 'Fronts of Modern Physics', 11-16 maj 1997, Vanderbilt University, Nashville, USA, och på International School i fysik 'Enrico Fermi', kurs CXXXVII 'Fysik av tunga smaker: ett test av naturens storslagna design', Varenna, Italien, 8-18 juli 1997 hep-ph/9803479.
• Davide Castelvecchi, Vad är direkt CP-kränkning? , Stanford Linear Accelerator (SLAC)
• BaBar-samarbetet. Observation av CP-överträdelse i B0 -> K+pi- och B0 -> pi+pi-  (engelska) . — Physical Review Letters, 2007. (Första observation med statistisk signifikans större än 5 standardavvikelser av direkt CP-överträdelse i B-meson-sönderfall, inte relaterad till blandning av B0- och anti-B0-mesoner) [3] . Se även Phys. Varv. Lett. 93, 131801 (2004) [4] och Phys. Varv. Lett. 98, 211801 (2007) [5] .

Ordböcker och uppslagsverk	Britannica (online)