CP overtrædelse

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 1. maj 2021; checks kræver 2 redigeringer .

I elementær partikelfysik er krænkelsen af CP - invarians krænkelsen af kombineret paritet (CP-symmetri), det vil sige ikke-invariansen af fysikkens love med hensyn til spejlreflektionsoperationen med den samtidige udskiftning af alle partikler med antipartikler. Det spiller en vigtig rolle i teorierne om kosmologi , der forsøger at forklare stoffets dominans over antistof i vores univers . Opdagelsen af CP - symmetriovertrædelse i 1964 i neutrale kaoners forfaldsprocesser blev tildelt 1980 Nobelprisen i fysik (James Cronin og Val Fitch ). I 1967 viste A. D. Sakharov , at CP- krænkelse var en af de nødvendige betingelser for den næsten fuldstændige udslettelse af antistof på et tidligt tidspunkt i universets udvikling. I 1973, i et forsøg på at finde en forklaring på CP - krænkelse i neutrale kaoners henfald og med udgangspunkt i Nicola Cabibbos idé om at blande to generationer af kvarker, forudsagde Makoto Kobayashi og Toshihide Maskawa eksistensen af en tredje. Faktisk blev b -kvarken opdaget i 1977 og t -kvarken i 1995. Forskellene i egenskaberne af B- og anti - B -mesoner forudsagt af teorien om Kobayashi og Maskawa , herunder direkte CP - overtrædelse, blev opdaget i BaBar og Belle eksperimenter i 2002-2007 år, der banede vejen for deres 2008 Nobelpris i fysik .

Hvad er CP?

CP er produktet af to symmetrier : C er ladningskonjugation , som forvandler en partikel til sin antipartikel , og P er paritet , som skaber et spejlbillede af det fysiske system. Den stærke kraft og den elektromagnetiske kraft er invariante under den kombinerede CP-transformationsoperation, men denne symmetri er lidt brudt under nogle typer af svagt henfald . Historisk set blev CP-symmetri foreslået for at genoprette orden efter opdagelsen af paritetskrænkelse i 1950'erne .

Ideen om paritetssymmetri er, at fysikkens ligninger er invariante under spejlvending. Dette fører til forudsigelsen, at spejlbilledet af en reaktion (såsom en kemisk reaktion eller radioaktivt henfald ) sker på samme måde som selve reaktionen. Paritetssymmetri observeres for alle reaktioner, der kun er forbundet med elektromagnetisme og stærke interaktioner . Indtil 1956 blev loven om bevarelse af paritet betragtet som en af de grundlæggende geometriske love for bevarelse (såvel som loven om bevarelse af energi og loven om bevarelse af momentum ). Men i 1956 afslørede en omhyggelig kritisk analyse af de akkumulerede eksperimentelle data af fysikerne Zhengdao Li og Zhenning Yang , at paritetsbevaring ikke var blevet testet i svage interaktionsprocesser. De foreslog flere mulige eksperimenter. Det første eksperiment var baseret på beta-henfald af kobolt-60 kerner og blev udført i 1956 af en gruppe ledet af Wu Jianxiong . Som et resultat blev det vist, at P-symmetrien er stærkt krænket i svage interaktionsprocesser, eller, som det kan vises, forekommer nogle reaktioner ikke så ofte som deres spejlmodstykker.

Generelt kræver kvantefeltteori grundlæggende symmetri under CPT-transformationer, når spejlrefleksion og ladningskonjugation suppleres med tidsvending. Derfor, når P-symmetrien er brudt, kan den fulde CPT-symmetri af et kvantemekanisk system bevares, hvis der findes en anden symmetri S , så den generelle SP -symmetri forbliver ubrudt. Dette vanskelige sted i Hilbert-rummets struktur blev genkendt kort efter opdagelsen af paritetskrænkelse, og ladningskonjugation blev foreslået som den ønskede symmetri for at genoprette orden.

Kort sagt er ladningskonjugation en simpel symmetri mellem partikler og antipartikler, så CP-symmetri blev foreslået i 1957 af Lev Landau som en sand symmetri mellem stof og antistof. Med andre ord, en proces, hvor alle partikler ændres med deres antipartikler, anses for at svare til et spejlbillede af denne proces.

CP-symmetri breaking

I 1964 viste James Cronin og Val Fitch (først annonceret på den 12. ICHEP- konference i Dubna ), at CP-symmetri også kan brydes, hvilket de modtog Nobelprisen i fysik for i 1980. Deres opdagelse viste, at svage interaktioner ikke kun krænker ladningskonjugation C mellem partikler og antipartikler og paritetssymmetrien P, men også deres kombination. Opdagelsen chokerede partikelfysikken og rejste spørgsmål, der stadig er centrale for partikelfysik og kosmologi. Manglen på nøjagtig CP-symmetri, men samtidig det faktum, at symmetrien næsten er observeret, skabte et stort mysterium.

I 1964 opdagede Christenson, Cronin, Fitch og Turley krænkelse af CP-symmetri i kaon -henfaldseksperimenter ; i fysiske fænomener er kun en svagere (men også mere fundamental) version af symmetri bevaret - CPT-invarians . Ud over C og P er der en tredje operation - tidsvending (T), som svarer til reversibiliteten af bevægelse. Tidsreverseringsinvarians betyder, at hvis bevægelse er tilladt af fysikkens love, så er omvendt bevægelse også tilladt. Kombinationen af CPT udgør en nøjagtig symmetri af alle typer grundlæggende interaktioner. På grund af CPT-symmetri svarer CP-symmetribrud til T-symmetribrud . CP-symmetriovertrædelsen indebærer ikke-konservering af T, baseret på antagelsen om, at CPT-sætningen er sand. I denne sætning, som betragtes som et af de grundlæggende principper for kvantefeltteori , anvendes ladningskonjugation, paritet og tidsvending sammen.

Den type CP-krænkelse, der blev opdaget i 1964, skyldtes det faktum, at neutrale kaoner kan forvandle sig til deres antipartikler (hvor kvarker er erstattet af antikvarker) og omvendt, men en sådan transformation sker ikke med samme sandsynlighed i begge retninger; dette er blevet kaldt indirekte CP-symmetri brud.

Trods søgninger i stor skala kendte man ikke til andre tegn på CP-symmetri-krænkelse før i 1990'erne, hvor resultaterne af NA31-eksperimentet på CERN påviste CP-symmetri-krænkelse i alle de samme neutrale kaoners henfaldsprocesser, de såkaldte direkte CP-symmetri brud. Opdagelsen var kontroversiel, og det endelige bevis kom først i 1999 efter KTeV-eksperimenterne på Fermilab og NA48 -eksperimenterne på CERN .

I 2001 observerede en ny generation af eksperimenter, herunder BaBar-eksperimentet ved Stanford Linear Accelerator Center ( SLAC ) og Belle - eksperimentet ved High Energy Accelerator Research Organisation Japan ( KEK ), CP-overtrædelse ved brug af B-mesoner [1] . Forud for disse eksperimenter var der en mulighed for, at CP-overtrædelse var begrænset til kaon-fysik. Disse eksperimenter fjernede al tvivl om, at standardmodellens interaktioner overtræder CP. I 2007 viste lignende eksperimenter eksistensen af direkte CP-overtrædelse for B-mesoner også (se referencer).

CP-overtrædelse er inkluderet i standardmodellen ved at inkludere den komplekse fase i CKM-matrixen, der beskriver kvarkblanding . I et sådant skema er en nødvendig betingelse for udseendet af en kompleks fase og krænkelse af CP-symmetri eksistensen af mindst tre generationer af kvarker.

Der er ingen eksperimentel evidens for CP-krænkelse i kvantekromodynamik ; se nedenunder.

Stærkt CP-problem

I partikelfysik er det stærke CP-problem det gådefulde spørgsmål om, hvorfor CP-symmetri ikke er krænket i kvantekromodynamik (QCD).

QCD bryder ikke CP-symmetri så simpelt som elektrosvag teori gør ; i modsætning til den elektrosvage teori, hvor målefelter er koblet til chirale strømme skabt af fermioniske felter, kobles gluoner til vektorstrømme. Eksperimenter viser ikke nogen krænkelse af CP-symmetri i QCD-regionen. For eksempel ville en generel CP-overtrædelse i QCD-regionen skabe et elektrisk dipolmoment på neutronen , der ville være af størrelsesordenen (elektronladningstider meter), mens den eksperimentelle øvre grænse er omkring en billion gange mindre. $10^{{-18}}\ {\rm {{e\cdot {}m}}}$

På trods af manglen på eksperimentel bekræftelse af symmetribrud, indeholder QCD Lagrangian naturlige udtryk, der kan bryde CP-symmetri.

{{\mathcal L}}=-{\frac {1}{4}}{{\mathrm {tr}}\,}F_{{\mu \nu }}F^{{\mu \nu }}- {\frac {n_{f}g^{2}\theta }{32\pi ^{2}}}{{\mathrm {tr}}\,}F_{{\mu \nu }}{\tilde F }^{{\mu \nu }}+{\bar \psi }(i\gamma ^{\mu}D_{\mu }-me^{{i\theta '\gamma _{5}}})\ psi

Med et ikke-nul valg af QCD -vinklen og den chirale fase af kvarkmassen kan man forvente, at CP-symmetrien vil blive brudt. Det antages generelt, at kvarkmassens chirale fase kan bidrage til den samlede effektive vinkel, men det forbliver uforklarligt, hvorfor denne vinkel er så lille i stedet for en vilkårlig værdi mellem 0 og 2π; denne værdi af -vinkel, meget tæt på nul (i dette tilfælde), er nævnt som et eksempel på finjustering af tilhængere af denne teori. $\theta$ $\theta '$ ${\tilde \theta }$ $\theta$

Den bedst kendte løsning på det stærke CP-problem er Peccei-Quinn-teorien . I denne teori bliver θ-parameteren et dynamisk felt snarere end en ekstern konstant. Da hvert felt i kvantefeltteorien skaber en partikel, skal dette dynamiske felt svare til en hypotetisk partikel kaldet en axion . Teorien blev foreslået i 1977 af Roberto Peccei og Helen Quinn .

CP-krænkelse og ubalance mellem stof og antistof

Et af de uløste teoretiske spørgsmål i fysik er, hvorfor universet hovedsageligt består af stof og ikke af lige dele stof og antistof . Det kan påvises, at for at skabe en ubalance mellem stof og antistof fra den indledende balance , skal Sakharov-betingelserne være opfyldt , hvoraf den ene er krænkelsen af CP-symmetri i de ekstreme forhold i de første sekunder efter Big Bang . Forklaringer, der ikke bruger CP-overtrædelse, er mindre vellykkede, fordi de er afhængige af antagelsen om, at der eksisterede en materie-antistof-ubalance fra begyndelsen eller på andre eksotiske antagelser (se problemet med de indledende værdier af universets tilstand ).

Efter Big Bang skulle der ifølge populær tro være opstået lige store mængder stof og antistof, hvis CP-symmetri blev opretholdt; i dette tilfælde ville der være en total udslettelse af begge dele. Det vil sige, nukleoner ville udslette med antinukleoner, elektroner med positroner og så videre for alle elementære partikler. Dette ville føre til et hav af fotoner i et univers uden andet stof. Da det er indlysende, at vores univers ikke er et hav af fotoner uden andet stof, efter Big Bang, handlede fysiske love anderledes for stof og antistof, det vil sige, CP-symmetri blev overtrådt.

Standardmodellen antager kun to måder at bryde CP-symmetri på. En af dem, diskuteret ovenfor, er indeholdt i QCD Lagrangian og er ikke blevet eksperimentelt bevist; det kan forventes, at det vil føre enten til fravær af symmetribrud eller til en meget stærkere krænkelse af denne symmetri. Den anden, ved hjælp af den svage interaktion, er blevet eksperimentelt verificeret, men kan kun forklare en lille del af CP-overtrædelserne. Følgelig er det nødvendigt, at de indledende betingelser for vores univers allerede indeholder et overskud af stof i forhold til antistof.

Fordi standardmodellen ikke præcist forklarer disse uoverensstemmelser, bliver det klart, at den nuværende standardmodel har alvorlige huller (udover det åbenlyse problem med inklusion af tyngdekraften i den). Desuden kræver eksperimenter for at fylde disse CP-relaterede huller ikke næsten umulige energier, som forskning i kvantetyngdekraft kræver (se Planck-masse ).

Se også

Supersvagt samspil

Litteratur

GC Branco, R. González Felipe, FR Joaquim. Leptonisk CP-overtrædelse (engelsk) // Rev. Mod. Phys. . - 2012. - Bd. 84 . - S. 515-565 . - doi : 10.1103/RevModPhys.84.515 .

Links

A. D. Sakharov. CP-overtrædelse, C-asymmetri og baryon-asymmetri i universet . - USSR's Videnskabsakademi, 1967. (Russisk) [2]
G.C. Branco, L. Lavoura og J.P. Silva. CP overtrædelse . — Oxford University Press , 1999.
I. Bigi og A. Sanda. CP-overtrædelse (neopr.) . - Cambridge University Press , 1999.
Michael Beyer (redaktør). CP-overtrædelse i partikel- , nuklear- og astrofysik . - Springer, 2002. (En samling af indledende essays om emnet med vægt på eksperimentelle data.)
L. Wolfenstein. CP-overtrædelse (neopr.) . - Nord-Holland, Amsterdam, 1989. (Samling af genoptryk af forskellige vigtige artikler om emnet, herunder artikler af T. D. Lee, Cronin, Fitch, Kobayashi, Maskawa og mange andre.)
David J. Griffiths. Introduktion til elementarpartikler (neopr.) . - Wiley, John & Sons, Inc., 1987.
I. Bigi, CP-overtrædelse, et væsentligt mysterium i naturens store design . Foredrag holdt på XXV ITEP Winter School in Physics, 18.-27. februar 1997, Moskva, Rusland, ved 'Fronts of Modern Physics', 11.-16. maj 1997, Vanderbilt University, Nashville, USA, og på International School i fysik 'Enrico Fermi', kursus CXXXVII 'Fysik af tunge smage: en test af naturens store design', Varenna, Italien, 8.-18. juli 1997 hep-ph/9803479.
Davide Castelvecchi, Hvad er direkte CP-krænkelse? , Stanford Linear Accelerator (SLAC)
BaBar-samarbejdet. Observation af CP-overtrædelse i B0 -> K+pi- og B0 -> pi+pi- (engelsk) . — Physical Review Letters, 2007. (Første observation med statistisk signifikans større end 5 standardafvigelser af direkte CP-overtrædelse i B-meson-henfald, ikke relateret til blanding af B0- og anti-B0-mesoner) [3] . Se også Phys. Rev. Lett. 93, 131801 (2004) [4] og Phys. Rev. Lett. 98, 211801 (2007) [5] .

Ordbøger og encyklopædier	Britannica (online)

C, P og T

pin gruppe
Paritet

Fysik ud over standardmodellen
Beviser	Problemet med målerhierarki Mørkt stof mørk energi Problemet med den kosmologiske konstant Stærkt CP problem Neutrinoscillationer
teorier	Technicolor Femte kraft Kaluza-Klein teori Store forenede teorier Teori om alt Strengteori
supersymmetri	MSSM superstrengteori supergravitation
kvantetyngdekraften	Strengteori Sløjfe kvantetyngdekraft Kausal dynamisk triangulering Kanonisk kvantetyngdekraft
Eksperimenter	ANNIE Sasso INO TANK SNO Super-K Tevatron Muon g- NOvA