Парушэнне CP-інварыянтнасці

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
За межамі Стандартнай мадэлі
CMS Higgs-event.jpg
Стандартная мадэль
Гл. таксама «Фізічны партал»


У фізіцы элементарных часціц парушэнне CP-інварыянтнасці — гэта парушэнне камбінаванай цотнасці (CP-сіметрыі), гэта значыць неінварыянтнасць законаў фізікі адносна аперацыі люстранога адлюстравання з адначасовай заменай ўсіх часціц на антычасціцы. Яно гуляе важную ролю ў тэорыях касмалогіі, якія спрабуюць растлумачыць перавагу матэрыі над антыматэрыяй ў нашым Сусвеце. Адкрыццё парушэння CP-сіметрыі ў 1964 г. у працэсах распаду нейтральных каонаў было адзначана Нобелеўскай прэміяй па фізіцы 1980 (Джэймс Кронін і Вал Фітч). У 1967 г. А. Д. Сахараў паказаў, што CP-парушэнне з'яўлялася адным з неабходных умоў для практычна поўнага знішчэння антырэчыва на раннім этапе развіцця Сусвету. У 1973 г., спрабуючы знайсці тлумачэнне CP-парушэння ў распаду нейтральных каонаў і адштурхваючыся ад ідэі Ніколы Кабіба аб змешванні двух пакаленняў кваркаў, Макота Кабаясі і Тосіхідэ Масукава прадказалі існаванне трэцяга. Сапраўды, b-кварк быў адкрыты ў 1977 г., t-кварк — у 1995. Прадказаныя тэорыяй Кабаясі і Масукавы адрозненні уласцівасцяў B і анты-B мезонаў, уключаючы прамое CP-парушэнне, былі адкрыты на эксперыментах BaBar і Belle ў 2002-2007 гадах, адкрыўшы шлях да прысуджэнні ім Нобелеўскай прэміі па фізіцы 2008.

Што такое CP?[правіць | правіць зыходнік]

CP — гэта здабытак двух сіметрыя: C — зарадае спалучэнне, якое ператварае часціцу ў яе антычасціцу, і P — цотнасць, якая стварае люстраны малюнак фізічнай сістэмы. Моцнае ўзаемадзеянне і электрамагнітнае ўзаемадзеянне з'яўляюцца інварыянтнымі ў адносінах да камбінаванай аперацыі CP пераўтварэнні, але гэтая сіметрыя трохі парушаецца ў працэсе некаторых тыпаў слабага распаду. Гістарычна CP-сіметрыя была прапанаваная для аднаўлення парадку пасля адкрыцця парушэнні прасторавай цотнасці ў 1950-я.

Ідэя сіметрыі цотнасці ў тым, што ўраўненні фізікі інварыянтныя адносна люстраной інверсіі. Гэта вядзе да прадказання таго, што люстраны малюнак рэакцыі (напрыклад, хімічнай рэакцыі або радыеактыўнага распаду) адбываецца гэтак жа, як і сама рэакцыя. Сіметрыя цотнасці выконваецца для ўсіх рэакцый, звязаных толькі з электрамагнетызмам і моцнымі ўзаемадзеяннямі. Да 1956 г. закон захавання цотнасці лічыўся адным з фундаментальных геаметрычных законаў захавання (як і закон захавання энергіі і закон захавання імпульсу). Аднак у 1956 пільны крытычны аналіз назапашаных эксперыментальных дадзеных фізікамі Чжэндаа Лі і Чжэньнін Янг выявіў, што захаванне цотнасці не правяралася у працэсах слабага ўзаемадзеяння. Яны прапанавалі некалькі магчымых эксперыментаў. Першы эксперымент быў заснаваны на бэта-распадзе ядраў кобальту-60 і быў праведзены ў 1956 г. групай пад кіраўніцтвам Ву Цзяньсюна. У выніку было паказана, што ў працэсах слабага ўзаемадзеяння P-сіметрыя моцна парушаецца ці, як можна паказаць, некаторыя рэакцыі адбываюцца не так жа часта, як іх люстраныя двайнікі.

У агульным і цэлым, квантавая тэорыя поля прынцыпова патрабуе сіметрыі адносна CPT-пераўтварэнняў, калі люстраное адлюстраванне і зарадавае спалучэнне дапаўняюцца зваротам часу. Таму пры парушэнні P-сіметрыі поўная сіметрыя CPT квантавамеханічнай сістэмы можа быць захавана, калі будзе знойдзена іншая сіметрыя S так, што агульная сіметрыя SP застанецца непарушанай. Гэта хітрае месца ў структуры гільбертавай прасторы было ўсвядомлена неўзабаве пасля адкрыцця парушэнні цотнасці, і зарадавае спалучэнне было прапанавана ў якасці шуканай сіметрыі для аднаўлення парадку.

Папросту кажучы, зарадавае спалучэнне — гэта простая сіметрыя паміж часціцамі і антычасціцамі, так што CP-сіметрыя была прапанаваная ў 1957 г. Львом Ландау як сапраўдная сіметрыя паміж матэрыяй і антыматэрыіяй. Іншымі словамі, працэс, у якім усе часціцы мяняюцца са сваімі антычасціцамі, лічыцца эквівалентным люстранага адлюстравання дадзенага працэсу.

Парушэнне СР-сіметрыі[правіць | правіць зыходнік]

Дыяграма каоннай асцыляцыі
Гэтыя дзве дыяграмы — дыяграмы Фейнмана, якія прадстаўляюць асноўныя ўклады ў амплітуду каоннай (K-Kbar) асцыляцыі

У 1964 г. Джэймс Кронін і Вал Фітч паказалі (упершыню пра гэта было абвешчана на 12-й ICHEP канферэнцыі ў Дубне), што CP-сіметрыя таксама можа быць парушаная, за гэта адкрыццё ім дасталася Нобелеўская прэмія па фізіцы 1980. Іх адкрыццё паказала, што слабыя ўзаемадзеянні парушаюць не толькі сіметрыю зарадава спалучэння C паміж часціцамі і антычасціцамі і сіметрыю цотнасці P, але таксама і іх камбінацыю. Адкрыццё ўзрушыла фізіку элементарных часціц і падняло пытанні, якія да гэтага часу з'яўляюцца цэнтральнымі ў фізіцы элементарных часціц і касмалогіі. Адсутнасць дакладнай CP-сіметрыі, але ў той жа час факт, што сіметрыя амаль выконваецца, стварылі вялікую загадку.

У 1964 г. Крыстенсанам, Кроніным, Фітчам і Тэрлеем было адкрыта парушэнне CP-сіметрыі ў эксперыментах па распаду каонаў; ў фізічных з'явах захоўваецца толькі больш слабы (але і больш прынцыповы) варыянт сіметрыі — CPT-інварыянтнай. Акрамя C і P, існуе трэцяя аперацыя — зварот часу (T), якая адпавядае зварачальнасці руху. Інварыянтнасць адносна звароту часу азначае, што калі рух дазволены законамі фізікі, то адваротны рух таксама дазволена. Камбінацыя CPT складае дакладную сіметрыю ўсіх тыпаў фундаментальных узаемадзеянняў. З-за CPT-сіметрыі парушэнне CP-сіметрыі эквівалентна парушэнні T-сіметрыі. Парушэнне CP-сіметрыі мяркуе незахаванне T, зыходзячы з здагадкі, што CPT-тэарэма правільная. У гэтай тэарэме, якая лічыцца адным з асноўных прынцыпаў квантавай тэорыі поля, зарадавае спалучэнне, цотнасць і зварот часу ўжываюцца разам.

Тып парушэння CP-сіметрыі, адкрыты ў 1964 г., быў звязаны з тым фактам, што нейтральныя каоны могуць ператварацца ў свае антычасціцы (у якіх кваркі замяняюцца антыкваркамі) і наадварот, але падобнае ператварэнне не адбываецца з аднолькавай імавернасцю ў абодвух напрамках; гэта было названа ўскосным парушэннем CP-сіметрыі.

Нягледзячы на маштабныя пошукі, іншых прыкмет парушэння CP-сіметрыі не было вядома да 1990-х, калі вынікі эксперыменту NA31 ў ЦЕРН даказалі парушэнне CP-сіметрыі ў працэсах распаду усё тых жа нейтральных каонаў, так званае прамое парушэнне CP-сіметрыі. Адкрыццё было спрэчным, і канчатковы доказ прыйшоў толькі ў 1999 г. пасля эксперыментаў KTeV ў Фермілабе і эксперыментаў NA48 ў ЦЕРН.

У 2001 г. у новым пакаленні эксперыментаў, уключаючы эксперымент BaBar ў Стэнфардскам цэнтры лінейных паскаральнікаў (SLAC) і эксперымент Belle пры Арганізацыі па даследаваннях на паскаральніках высокіх энергій — Японія (KEK), назіралася парушэнне CP-сіметрыі, выкарыстоўваючы B-мезоны[1]. Да гэтых эксперыментаў была імавернасць таго, што парушэнне CP-сіметрыі абмяжоўваецца фізікай каонаў. Гэтыя эксперыменты развеялі ўсе сумненні ў тым, што ўзаемадзеянні Стандартнай мадэлі парушаюць CP. У 2007 г., падобныя эксперыменты паказалі існаванне і прамога парушэння CP-сіметрыі для B-мезонаў (гл. спасылкі).

Парушэнне CP-сіметрыі ўключаецца ў Стандартную мадэль пры дапамозе ўключэння комплекснай фазы ў CKM-матрыцу, якая апісвае змешванне кваркаў. У такой схеме неабходнай умовай для з'яўлення комплекснай фазы і парушэнні CP-сіметрыі з'яўляецца існаванне па меншай меры трох пакаленняў кваркаў.

Няма ніякіх эксперыментальных пацверджанняў парушэння CP-сіметрыі ў квантавай хромадынаміцы; гл. ніжэй.

Моцная CP-праблема[правіць | правіць зыходнік]

У фізіцы элементарных часціц моцная CP-праблема — гэта загадкавае пытанне, чаму ў квантавай хромадынаміцы (КХД) не парушаецца CP-сіметрыя.

КХД не парушае CP-сіметрыю так проста, як тэорыя электраслабага ўзаемадзеяння; у адрозненне ад электраслабай тэорыі, у якой калібравальныя палі звязваюцца ў хіральныя токі, створаныя ферміённымі палямі, глюёны звязваюцца ў вектарныя токі. Эксперыменты не паказваюць ніякага парушэння CP-сіметрыі ў галіне КХД. Напрыклад, агульнае парушэнне CP-сіметрыі ў галіне КХД стварыла б электрычны дыпольны момант у нейтрона, які быў бы каля 10^{-18}\ \rm{e\cdot{}m} (зарад электрона, памножаны на метр ), у той час як эксперыментальная верхняя мяжа прыблізна ў трыльён раз менш.

Нягледзячы на адсутнасць эксперыментальнага пацверджання парушэнняў сіметрыі , у лагранжиане КХД ёсць натуральныя члены , якія могуць парушаць CP- сіметрыю.

{\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 - m
e^{i\theta'\gamma_5})\psi

Пры ненулявом выбары КХД \theta-вугла і хіральнай фазы кваркавай масы \theta' можна чакаць, што CP-сіметрыя будзе парушаная. Звычайна лічыцца, што хіральная фаза кваркавай масы можа стаць укладам у агульны эфектыўны \tilde\theta-вугал, але застаецца нявытлумачаным, чаму прырода абрала неверагодна малое значэнне гэтага вуглаа замест адвольнага значэння паміж 0 і 2π; спецыяльны выбар \theta-вугла, вельмі блізкага да нуля (у гэтым выпадку), з'яўляецца прыкладам тонкай настройкі ў фізіцы.

Зноскі

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]

  • А. Д. Сахаров (1967). Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия вселенной. Академия Наук СССР. ЖЭТФ. Письма в редакцию. 1967. Т. 5, вып. 1. С. 32-35.  [2]
  • G. C. Branco, L. Lavoura and J. P. Silva (1999). CP violation. Clarendon Press, Oxford. ISBN 0-19-850399-7. 
  • I. Bigi and A. Sanda (1999). CP violation. Cambridge University Press. ISBN 0-521-44349-0. 
  • Michael Beyer (Editor) (2002). CP Violation in Particle, Nuclear and Astrophysics. Springer. ISBN 3-540-43705-3.  (Коллекция вводных эссе по теме с акцентом на экспериментальные данные.)
  • L. Wolfenstein (1989). CP violation. North-Holland, Amsterdam. 0444-88081X. 
  • David J. Griffiths (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 0-471-60386-4. 
  • Davide Castelvecchi, What is direct CP-violation?, Стенфордский линейный ускоритель (Stanford Linear Accelerator — SLAC)
  • The BaBar Collaboration (2007). Observation of CP Violation in B0 -> K+pi- and B0 -> pi+pi-. Physical Review Letters. Phys. Rev. Lett. 99, 021603 (2007).  [3]. Также смотреть Phys. Rev. Lett. 93, 131801 (2004) [4] і Phys. Rev. Lett. 98, 211801 (2007) [5].