Porušení CP

Ve fyzice elementárních částic je porušení CP - invariance  porušení kombinované parity (CP-symetrie), to znamená neinvariance fyzikálních zákonů s ohledem na operaci zrcadlového odrazu se současným nahrazením všech částic antičástice. Hraje důležitou roli v teoriích kosmologie , které se pokoušejí vysvětlit nadvládu hmoty nad antihmotou v našem vesmíru . Objev porušení CP - symetrie v roce 1964 v procesech rozpadu neutrálních kaonů byl oceněn v roce 1980 Nobelovou cenou za fyziku ( James Cronin a Val Fitch ). V roce 1967 A. D. Sacharov ukázal, že porušení CP bylo jednou z nezbytných podmínek pro téměř úplné zničení antihmoty v rané fázi vývoje vesmíru. V roce 1973, když se Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa pokoušeli najít vysvětlení pro narušení CP v rozpadech neutrálních kaonů a vycházeli z myšlenky Nicoly Cabibbové smíchat dvě generace kvarků, předpověděli existenci třetí. Ve skutečnosti byl kvark b objeven v roce 1977 a kvark t v roce 1995. Rozdíly ve vlastnostech mezonů B a anti- B  předpovězené teorií Kobayashi a Maskawa , včetně přímého porušení CP , byly objeveny v BaBar a Belle . experimenty v letech 2002–2007 a připravily půdu pro jejich Nobelovu cenu za fyziku za rok 2008 .

Co je CP?

CP  je součin dvou symetrií : C je konjugace náboje , která mění částici na její antičástici , a P je parita , která vytváří zrcadlový obraz fyzického systému. Silná síla a elektromagnetická síla jsou při kombinované operaci transformace CP neměnné, ale tato symetrie je při některých typech slabého rozpadu mírně narušena . Historicky byla symetrie CP navržena k obnovení pořádku po zjištění porušení parity v 50. letech 20. století .

Myšlenka paritní symetrie spočívá v tom, že fyzikální rovnice jsou invariantní při zrcadlové inverzi. To vede k předpovědi, že zrcadlový obraz reakce (jako je chemická reakce nebo radioaktivní rozpad ) probíhá stejným způsobem jako reakce samotná. Paritní symetrie je pozorována pro všechny reakce spojené pouze s elektromagnetismem a silnými interakcemi . Do roku 1956 byl zákon zachování parity považován za jeden ze základních geometrických zákonů zachování (stejně jako zákon zachování energie a zákon zachování hybnosti ). V roce 1956 však pečlivá kritická analýza nashromážděných experimentálních dat provedená fyziky Zhengdao Li a Zhenning Yang odhalila, že zachování parity nebylo testováno v procesech slabé interakce. Navrhli několik možných experimentů. První experiment byl založen na beta rozpadu jader kobaltu-60 a byl proveden v roce 1956 skupinou vedenou Wu Jianxiongem . V důsledku toho se ukázalo, že P-symetrie je silně narušena v procesech slabé interakce, nebo, jak lze ukázat, některé reakce neprobíhají tak často jako jejich zrcadlové protějšky.

Obecně platí, že kvantová teorie pole zásadně vyžaduje symetrii při transformacích CPT, kdy zrcadlový odraz a konjugace náboje jsou doplněny obrácením času. Proto, když je P-symetrie porušena, může být zachována plná CPT symetrie kvantově mechanického systému, pokud je nalezena další symetrie S , takže obecná SP symetrie zůstane neporušená. Toto choulostivé místo ve struktuře Hilbertova prostoru bylo rozpoznáno krátce po objevu porušení parity a konjugace náboje byla navržena jako požadovaná symetrie k obnovení pořádku.

Jednoduše řečeno, konjugace náboje je jednoduchá symetrie mezi částicemi a antičásticemi, takže symetrii CP navrhl v roce 1957 Lev Landau jako skutečnou symetrii mezi hmotou a antihmotou. Jinými slovy, proces, ve kterém se všechny částice mění se svými antičásticemi, je považován za ekvivalent zrcadlového obrazu tohoto procesu.

Narušení CP-symetrie

V roce 1964 James Cronin a Val Fitch ukázali ( poprvé oznámeno na 12. konferenci ICHEP v Dubně ), že symetrii CP lze také narušit, za což v roce 1980 obdrželi Nobelovu cenu za fyziku . Jejich objev ukázal, že slabé interakce narušují nejen nábojová konjugace C mezi částicemi a antičásticemi a paritní symetrie P, ale také jejich kombinace. Objev šokoval částicovou fyziku a vyvolal otázky, které jsou stále ústředním bodem částicové fyziky a kosmologie. Absence přesné symetrie CP, ale zároveň skutečnost, že symetrie je téměř pozorována, vytvořily velkou záhadu.

V roce 1964 Christenson, Cronin, Fitch a Turley objevili porušení CP-symetrie v experimentech s rozpadem kaonu ; ve fyzikálních jevech je zachována pouze slabší (ale také zásadnější) verze symetrie - CPT invariance . Kromě C a P existuje ještě třetí operace - reverzace času (T), která odpovídá vratnosti pohybu. Časová reverzní invariance znamená, že pokud je pohyb povolen fyzikálními zákony, pak je povolen i zpětný pohyb. Kombinace CPT představuje přesnou symetrii všech typů základních interakcí. Kvůli symetrii CPT je porušení symetrie CP ekvivalentní porušení T-symetrie . Porušení CP-symetrie implikuje nezachování T na základě předpokladu, že CPT-teorém je pravdivý. V této větě, která je považována za jeden ze základních principů kvantové teorie pole , jsou společně aplikovány konjugace náboje, parita a obrácení času.

Typ porušení CP objevený v roce 1964 byl způsoben tím, že neutrální kaony se mohou transformovat na své antičástice (ve kterých jsou kvarky nahrazeny antikvarky) a naopak, ale k takové transformaci nedochází se stejnou pravděpodobností v obou směrech; toto bylo nazýváno nepřímé narušení CP-symetrie.

Přes rozsáhlé pátrání nebyly známy žádné další známky narušení CP-symetrie až do 90. let, kdy výsledky experimentu NA31 v CERN prokázaly narušení CP-symetrie v procesech rozpadu všech stejných neutrálních kaonů, tzv. přímých kaonů. Porušení CP-symetrie. Objev byl kontroverzní a konečný důkaz přišel až v roce 1999 po experimentech KTeV ve Fermilabu a experimentech NA48 v CERNu .

V roce 2001 nová generace experimentů, včetně experimentu BaBar ve Stanford Linear Accelerator Center ( SLAC ) a Belleho experimentu v High Energy Accelerator Research Organization Japan ( KEK ), pozorovala porušení CP při použití mezonů B [1] . Před těmito experimenty existovala možnost, že porušení CP bylo omezeno na fyziku kaonu. Tyto experimenty rozptýlily všechny pochybnosti, že interakce standardního modelu porušují CP. V roce 2007 podobné experimenty ukázaly existenci přímého narušení CP také pro mezony B (viz odkazy).

Porušení CP je zahrnuto ve standardním modelu zahrnutím komplexní fáze do matice CKM popisující míchání kvarků . V takovém schématu je nezbytnou podmínkou pro vznik komplexní fáze a porušení CP symetrie existence alespoň tří generací kvarků.

Neexistuje žádný experimentální důkaz pro porušení CP v kvantové chromodynamice ; viz. níže.

Silný problém CP

V částicové fyzice je silným problémem CP  záhadná otázka, proč není CP symetrie narušena v kvantové chromodynamice (QCD).

QCD neporuší symetrii CP tak jednoduše jako elektroslabá teorie ; na rozdíl od elektroslabé teorie, ve které jsou kalibrační pole spřažena do chirálních proudů vytvořených fermionickými poli, jsou gluony spřaženy do vektorových proudů. Experimenty neukázaly žádné porušení symetrie CP v oblasti QCD. Například obecné narušení CP v oblasti QCD by vytvořilo elektrický dipólový moment na neutronu , který by byl řádu (elektronový náboj krát metr), zatímco experimentální horní mez je asi bilionkrát menší.

Navzdory nedostatku experimentálního potvrzení porušení symetrie obsahuje QCD Lagrangian přirozené termíny, které mohou narušit symetrii CP.

S nenulovou volbou úhlu QCD a chirální fáze kvarkové hmoty lze očekávat, že symetrie CP bude narušena. Obecně se má za to, že chirální fáze hmoty kvarku může přispívat k celkovému efektivnímu úhlu, ale zůstává nevysvětleno, proč je tento úhel tak malý místo libovolné hodnoty mezi 0 a 2π; tato hodnota -angle, velmi blízká nule (v tomto případě), je uváděna jako příklad jemného doladění zastánci této teorie.

Nejznámějším řešením silného problému CP  je Peccei-Quinnova teorie . V této teorii se θ-parametr stává spíše dynamickým polem než vnější konstantou. Protože v kvantové teorii pole každé pole vytváří částici, musí toto dynamické pole odpovídat hypotetické částici zvané axion . Teorii navrhli v roce 1977 Roberto Peccei a Helen Quinn .

Porušení CP a nerovnováha mezi hmotou a antihmotou

Jednou z nevyřešených teoretických otázek ve fyzice je, proč se vesmír skládá převážně z hmoty a nikoli ze stejných částí hmoty a antihmoty . Lze ukázat, že pro vytvoření nerovnováhy mezi hmotou a antihmotou z počáteční rovnováhy musí být splněny Sacharovovy podmínky , z nichž jednou je porušení CP symetrie v extrémních podmínkách prvních sekund po Velkém třesku . Vysvětlení, která nepoužívají porušení CP, jsou méně úspěšná, protože se opírají o předpoklad, že od počátku existovala nerovnováha hmoty a antihmoty, nebo o jiné exotické předpoklady (viz problém počátečních hodnot stavu vesmíru ).

Po Velkém třesku se podle všeobecného přesvědčení mělo objevit stejné množství hmoty a antihmoty, pokud byla zachována symetrie CP; v tomto případě by došlo k úplnému zničení obou. To znamená, že nukleony by anihilovaly s antinukleony, elektrony s pozitrony a tak dále pro všechny elementární částice. To by vedlo k moři fotonů ve vesmíru bez jiné hmoty. Protože je zřejmé, že náš vesmír není mořem fotonů bez jiné hmoty, po Velkém třesku se fyzikální zákony chovaly pro hmotu a antihmotu jinak, to znamená, že byla porušena CP symetrie.

Standardní model předpokládá pouze dva způsoby prolomení symetrie CP. Jeden z nich, diskutovaný výše, je obsažen v QCD Lagrangian a nebyl experimentálně prokázán; lze očekávat, že to povede buď k absenci porušení symetrie, nebo k mnohem silnějšímu porušení této symetrie. Druhý, využívající slabou interakci, byl experimentálně ověřen, ale může vysvětlit pouze malou část porušení CP. V souladu s tím je nutné, aby počáteční podmínky našeho Vesmíru již obsahovaly přebytek hmoty nad antihmotou.

Protože Standardní model tyto nesrovnalosti přesně nevysvětluje, je jasné, že současný Standardní model má vážné díry (kromě zjevného problému se zahrnutím gravitace do něj). Navíc experimenty k vyplnění těchto děr souvisejících s CP nevyžadují téměř nemožné energie, jak to vyžaduje výzkum kvantové gravitace (viz Planck mass ).

Viz také

• Superslabá interakce

Literatura

• GC Branco, R. González Felipe, FR Joaquim. Leptonické porušení CP  (anglicky)  // Rev. Mod. Phys. . - 2012. - Sv. 84 . - S. 515-565 . - doi : 10.1103/RevModPhys.84.515 .

Odkazy

• A. D. Sacharov. Porušení CP, C-asymetrie a baryonová asymetrie vesmíru . - Akademie věd SSSR, 1967.  (Ruština) [2]
• G. C. Branco, L. Lavoura a J. P. Silva. porušení CP  . — Oxford University Press , 1999.
• I. Bigi a A. Sanda. porušení CP  (neopr.) . — Cambridge University Press , 1999.
• Michael Beyer (redaktor). Porušení CP v částicové , jaderné a astrofyzice  . - Springer, 2002. (Sbírka úvodních statí na dané téma s důrazem na experimentální data.)
• L. Wolfenstein. porušení CP  (neopr.) . - North-Holland, Amsterdam, 1989. (Kompilace přetisků různých důležitých článků na toto téma, včetně článků T. D. Lee, Cronina, Fitche, Kobayashiho, Maskawy a mnoha dalších.)
• David J. Griffiths. Úvod do elementárních částic  (neopr.) . - Wiley, John & Sons, Inc., 1987.
• I. Bigi, porušení CP, základní záhada velkého designu přírody . Přednáška na XXV ITEP Winter School in Physics, 18.-27. února 1997, Moskva, Rusko, na 'Fronts of Modern Physics', 11.-16. května 1997, Vanderbilt University, Nashville, USA, a na International School fyziky 'Enrico Fermi', kurz CXXXVII 'Fyzika těžkých chutí: test velkého designu přírody', Varenna, Itálie, 8.-18. července 1997 hep-ph/9803479.
• Davide Castelvecchi, Co je přímé porušení CP? , Stanford Linear Accelerator (SLAC)
• BaBar Collaboration. Pozorování porušení CP v B0 -> K+pi- a B0 -> pi+pi-  (anglicky) . — Physical Review Letters, 2007. (První pozorování se statistickou významností větší než 5 směrodatných odchylek přímého porušení CP při rozpadech mezonů B, které nesouvisí se smícháním mezonů B0 a anti-B0) [3] . Viz také Phys. Rev. Lett. 93, 131801 (2004) [4] a Phys. Rev. Lett. 98, 211801 (2007) [5] .

Slovníky a encyklopedie	Britannica (online)