Încălcarea CP

În fizica particulelor elementare, încălcarea CP - invarianță  este încălcarea parității combinate (CP-simetrie), adică non-invarianța legilor fizicii în ceea ce privește operația de reflexie în oglindă cu înlocuirea simultană a tuturor particulelor cu antiparticule. Joacă un rol important în teoriile cosmologiei care încearcă să explice dominația materiei asupra antimateriei în universul nostru . Descoperirea CP - încălcarea simetriei în 1964 în procesele de dezintegrare a kaonilor neutri a primit în 1980 Premiul Nobel pentru Fizică (James Cronin și Val Fitch ). În 1967, A. D. Saharov a arătat că încălcarea CP a fost una dintre condițiile necesare pentru anihilarea aproape completă a antimateriei într-un stadiu incipient al dezvoltării Universului. În 1973, încercând să găsească o explicație pentru încălcarea CP în dezintegrarea kaonilor neutri și pornind de la ideea lui Nicola Cabibbo de a amesteca două generații de quarci, Makoto Kobayashi și Toshihide Maskawa au prezis existența unui al treilea. Într-adevăr, quarcul b a fost descoperit în 1977, iar quarcul t în 1995. Diferențele dintre proprietățile mesonilor B și anti- B  prezise de teoria lui Kobayashi și Maskawa , inclusiv încălcarea directă a CP , au fost descoperite în BaBar și Belle . experimente în anii 2002–2007, deschizând calea pentru Premiul Nobel pentru Fizică în 2008.

Ce este CP?

CP  este produsul a două simetrii : C este conjugarea sarcinii , care transformă o particulă în antiparticulă , și P este paritatea , care creează o imagine în oglindă a sistemului fizic. Forța puternică și forța electromagnetică sunt invariante în operația de transformare CP combinată, dar această simetrie este ușor întreruptă în timpul unor tipuri de dezintegrare slabă . Din punct de vedere istoric, simetria CP a fost propusă pentru a restabili ordinea după descoperirea încălcării parității în anii 1950 .

Ideea de simetrie de paritate este că ecuațiile fizicii sunt invariante sub inversarea în oglindă. Acest lucru duce la predicția că imaginea în oglindă a unei reacții (cum ar fi o reacție chimică sau dezintegrare radioactivă ) are loc în același mod ca reacția în sine. Simetria parității este observată pentru toate reacțiile asociate numai cu electromagnetism și interacțiuni puternice . Până în 1956, legea conservării parității a fost considerată una dintre legile geometrice fundamentale ale conservării (precum și legea conservării energiei și legea conservării impulsului ). Cu toate acestea, în 1956, o analiză critică atentă a datelor experimentale acumulate de către fizicienii Zhengdao Li și Zhenning Yang a arătat că conservarea parității nu a fost testată în procese de interacțiune slabă. Ei au sugerat mai multe experimente posibile. Primul experiment s-a bazat pe dezintegrarea beta a nucleelor ​​de cobalt-60 și a fost efectuat în 1956 de un grup condus de Wu Jianxiong . Drept urmare, s-a demonstrat că simetria P este puternic încălcată în procesele de interacțiune slabă sau, după cum se poate arăta, unele reacții nu apar la fel de des ca și omologii lor în oglindă.

În general, teoria cuantică a câmpului necesită în mod fundamental simetrie în cadrul transformărilor CPT, atunci când reflexia în oglindă și conjugarea sarcinii sunt completate de inversarea timpului. Prin urmare, atunci când simetria P este întreruptă, simetria CPT completă a unui sistem mecanic cuantic poate fi păstrată dacă se găsește o altă simetrie S , astfel încât simetria generală SP să rămână neîntreruptă. Acest loc complicat în structura spațiului Hilbert a fost recunoscut la scurt timp după descoperirea încălcării parității, iar conjugarea sarcinii a fost propusă ca simetria dorită pentru a restabili ordinea.

Mai simplu spus, conjugarea sarcinii este o simetrie simplă între particule și antiparticule, așa că simetria CP a fost propusă în 1957 de Lev Landau ca o adevărată simetrie între materie și antimaterie. Cu alte cuvinte, un proces în care toate particulele se schimbă cu antiparticulele lor este considerat echivalent cu o imagine în oglindă a acestui proces.

Ruperea simetriei CP

În 1964 , James Cronin și Val Fitch au arătat (anunțat pentru prima dată la a 12- a conferință ICHEP de la Dubna ) că și simetria CP poate fi ruptă, pentru care au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1980. Descoperirea lor a arătat că interacțiunile slabe încalcă nu numai conjugarea sarcinii C între particule și antiparticule și simetria de paritate P, dar și combinarea acestora. Descoperirea a șocat fizica particulelor și a ridicat întrebări care sunt încă centrale pentru fizica particulelor și cosmologie. Lipsa simetriei exacte CP, dar în același timp faptul că simetria este aproape observată, au creat un mare mister.

În 1964 , Christenson, Cronin, Fitch și Turley au descoperit încălcarea simetriei CP în experimentele de dezintegrare a kaonului ; în fenomenele fizice, se păstrează doar o versiune mai slabă (dar și mai fundamentală) a simetriei - invarianța CPT . Pe lângă C și P, există o a treia operație - inversarea timpului (T), care corespunde reversibilității mișcării. Invarianța inversării timpului înseamnă că, dacă mișcarea este permisă de legile fizicii, atunci este permisă și mișcarea inversă. Combinația CPT constituie o simetrie exactă a tuturor tipurilor de interacțiuni fundamentale. Datorită simetriei CPT, ruperea simetriei CP este echivalentă cu ruperea simetriei T. Încălcarea simetriei CP implică neconservarea lui T, bazată pe presupunerea că teorema CPT este adevărată. În această teoremă, care este considerată unul dintre principiile de bază ale teoriei câmpurilor cuantice , se aplică împreună conjugarea sarcinii, paritatea și inversarea timpului.

Tipul de încălcare a CP descoperit în 1964 s-a datorat faptului că kaonii neutri se pot transforma în antiparticulele lor (în care quarcii sunt înlocuiți cu antiquarci) și invers, dar o astfel de transformare nu are loc cu aceeași probabilitate în ambele direcții; aceasta a fost numită încălcare indirectă a simetriei CP.

În ciuda căutărilor la scară largă, nu au fost cunoscute alte semne de încălcare a simetriei CP până în anii 1990, când rezultatele experimentului NA31 de la CERN au dovedit încălcarea simetriei CP în procesele de dezintegrare a acelorași caoni neutri, așa-numitul direct . Încălcarea simetriei CP. Descoperirea a fost controversată, iar dovada finală nu a venit decât în ​​1999, după experimentele KTeV de la Fermilab și experimentele NA48 de la CERN .

În 2001, o nouă generație de experimente, inclusiv experimentul BaBar de la Stanford Linear Accelerator Center ( SLAC ) și experimentul Belle de la High Energy Accelerator Research Organization Japan ( KEK ), a observat încălcarea CP la utilizarea mesonilor B [1] . Înainte de aceste experimente, exista posibilitatea ca încălcarea CP să fie limitată la fizica kaonilor. Aceste experimente au risipit toate îndoielile că interacțiunile modelului standard încalcă CP. În 2007, experimente similare au arătat existența încălcării directe a CP și pentru mezonii B (vezi referințele).

Încălcarea CP este inclusă în Modelul Standard prin includerea fazei complexe în matricea CKM care descrie amestecarea cuarcilor . Într-o astfel de schemă, o condiție necesară pentru apariția unei faze complexe și a încălcării simetriei CP este existența a cel puțin trei generații de quarci.

Nu există dovezi experimentale pentru încălcarea CP în cromodinamica cuantică ; vezi mai jos.

Problemă CP puternică

În fizica particulelor, problema puternică a CP  este întrebarea uluitoare de ce simetria CP nu este încălcată în cromodinamica cuantică (QCD).

QCD nu rupe simetria CP la fel de simplu ca teoria electroslabă ; Spre deosebire de teoria electroslabă, în care câmpurile gauge sunt cuplate în curenți chirali creați de câmpuri fermionice , gluonii sunt cuplati în curenți vectoriali. Experimentele nu arată nicio încălcare a simetriei CP în regiunea QCD. De exemplu, o încălcare generală a CP în regiunea QCD ar crea un moment dipol electric pe neutron care ar fi de ordinul (contor de încărcare a electronilor), în timp ce limita superioară experimentală este de aproximativ un trilion de ori mai mică.

În ciuda lipsei de confirmare experimentală a ruperii simetriei, QCD Lagrangianul conține termeni naturali care pot rupe simetria CP.

Cu o alegere diferită de zero a unghiului QCD și a fazei chirale a masei cuarcului , ne putem aștepta ca simetria CP să fie ruptă. În general, se crede că faza chirală a masei cuarcului poate contribui la unghiul efectiv total, dar rămâne neexplicat de ce acest unghi este atât de mic în loc de o valoare arbitrară între 0 și 2π; această valoare a lui -unghi, foarte apropiată de zero (în acest caz), este citată ca exemplu de reglare fină de către susținătorii acestei teorii.

Cea mai cunoscută soluție la problema CP puternică  este Teoria Peccei-Quinn . În această teorie, parametrul θ devine un câmp dinamic mai degrabă decât o constantă externă. Deoarece în teoria câmpului cuantic fiecare câmp creează o particulă, acest câmp dinamic trebuie să corespundă unei particule ipotetice numite axion . Teoria a fost propusă în 1977 de Roberto Peccei și Helen Quinn .

Încălcarea CP și dezechilibrul dintre materie și antimaterie

Una dintre întrebările teoretice nerezolvate în fizică este de ce universul este alcătuit în mare parte din materie și nu din părți egale materie și antimaterie . Se poate arăta că pentru a crea un dezechilibru între materie şi antimaterie din echilibrul iniţial trebuie îndeplinite condiţiile Saharov , dintre care una este încălcarea simetriei CP în condiţiile extreme ale primelor secunde după Big Bang . Explicațiile care nu folosesc încălcarea CP au mai puțin succes, deoarece se bazează pe presupunerea că un dezechilibru materie-antimaterie a existat de la început sau pe alte presupuneri exotice (vezi problema valorilor inițiale ale stării universului ).

După Big Bang, conform credinței populare, ar fi trebuit să apară cantități egale de materie și antimaterie dacă s-a menținut simetria CP; în acest caz, ar avea loc o anihilare totală a ambelor. Adică, nucleonii s-ar anihila cu antinucleoni, electronii cu pozitroni și așa mai departe pentru toate particulele elementare. Acest lucru ar duce la o mare de fotoni într-un univers fără altă materie. Deoarece este evident că Universul nostru nu este o mare de fotoni fără altă materie, după Big Bang, legile fizice au acționat diferit pentru materie și antimaterie, adică simetria CP a fost încălcată.

Modelul standard presupune doar două moduri de a rupe simetria CP. Unul dintre ele, discutat mai sus, este conținut în QCD Lagrangian și nu a fost dovedit experimental; se poate aștepta ca aceasta să ducă fie la absența ruperii simetriei, fie la o încălcare mult mai puternică a acestei simetrii. Al doilea, folosind interacțiunea slabă, a fost verificat experimental, dar poate explica doar o mică parte din încălcările CP. În consecință, este necesar ca condițiile inițiale ale Universului nostru să conțină deja un exces de materie față de antimaterie.

Deoarece Modelul Standard nu explică cu acuratețe aceste discrepanțe, devine clar că Modelul Standard actual are găuri serioase (pe lângă problema evidentă cu includerea gravitației în el). Mai mult decât atât, experimentele pentru a umple aceste găuri legate de CP nu necesită energii aproape imposibile, așa cum necesită cercetarea gravitației cuantice (vezi masa Planck ).

Vezi și

• Interacțiune foarte slabă

Literatură

• GC Branco, R. González Felipe, FR Joaquim. Încălcarea CP leptonic  (engleză)  // Rev. Mod. Fiz. . - 2012. - Vol. 84 . - P. 515-565 . - doi : 10.1103/RevModPhys.84.515 .

Link -uri

• A. D. Saharov. Încălcarea CP, asimetria C și asimetria barionică a Universului . - Academia de Științe a URSS, 1967.  (Rusă) [2]
• G. C. Branco, L. Lavoura și J. P. Silva. Încălcarea CP  . — Oxford University Press , 1999.
• I. Bigi şi A. Sanda. Încălcarea CP  (neopr.) . — Cambridge University Press , 1999.
• Michael Beyer (Redactor). Încălcarea CP în particule , nucleare și astrofizică  . - Springer, 2002. (O colecție de eseuri introductive pe această temă, cu accent pe datele experimentale.)
• L. Wolfenstein. Încălcarea CP  (neopr.) . - North-Holland, Amsterdam, 1989. (Compilare de reeditări ale diferitelor articole importante pe acest subiect, inclusiv articole de T. D. Lee, Cronin, Fitch, Kobayashi, Maskawa și mulți alții.)
• David J. Griffiths. Introducere în particulele elementare  (neopr.) . - Wiley, John & Sons, Inc., 1987.
• I. Bigi, încălcarea CP, un mister esențial în marele design al Naturii . Prelegere susținută la XXV ITEP Winter School in Physics, 18-27 februarie 1997, Moscova, Rusia, la „Fronts of Modern Physics”, 11-16 mai 1997, Universitatea Vanderbilt, Nashville, SUA, și la Școala Internațională de fizică „Enrico Fermi”, curs CXXXVII „Fizica aromelor grele: un test al designului grandios al naturii”, Varenna, Italia, 8-18 iulie 1997 hep-ph/9803479.
• Davide Castelvecchi, Ce este încălcarea directă a CP? , Acceleratorul liniar Stanford (SLAC)
• Colaborarea BaBar. Observarea încălcării CP în B0 -> K+pi- și B0 -> pi+pi-  (engleză) . — Physical Review Letters, 2007. (Prima observație cu semnificație statistică mai mare de 5 abateri standard ale încălcării directe a CP în dezintegrarea mezonului B, fără legătură cu amestecarea mezonilor B0 și anti-B0) [3] . Vezi și Phys. Rev. Lett. 93, 131801 (2004) [4] şi Phys. Rev. Lett. 98, 211801 (2007) [5] .

Dicționare și enciclopedii	Britannica (online)