Нарушение CP

редактировать

Нарушение симметрии зарядовой четности в физике элементарных частиц и космологии

В физике элементарных частиц, Нарушение CP-симметрии - это нарушение CP-симметрии (или симметрии зарядового сопряжения ): сочетание C-симметрии (charge симметрия) и P-симметрия (четность симметрия). CP-симметрия утверждает, что законы физики должны быть такими же, если частица поменяется местами со своей античастицей (C-симметрия), а ее пространственные координаты инвертированы («зеркальная» или P-симметрия). Открытие CP-нарушения в 1964 году в распадах нейтральных каонов привело к Нобелевской премии по физике в 1980 году его первооткрыватели Джеймс Кронин и Вэл. Fitch.

Он играет важную роль как в попытках космологии объяснить преобладание материи над антивеществом в нынешней вселенной и при изучении слабых взаимодействий в физике элементарных частиц.

Содержание

1 Обзор
2 История
- 2.1 P-симметрия
- 2.2 CP-симметрия
3 Экспериментальный статус
- 3.1 Непрямое CP-нарушение
- 3.2 Прямое CP-нарушение
4 Нарушение CP в стандартной модели
5 Сильная проблема CP
6 Несбалансированность вещества и антивещества
7 См. Также
8 Ссылки
9 Дополнительная литература
10 Внешние ссылки

Обзор

До 1950-х годов сохранение четности считалось одним из фундаментальных геометрических законов сохранения (наряду с сохранением энергии и сохранением импульса ). После открытия нарушения четности в 1956 году для восстановления порядка была предложена CP-симметрия. Однако, хотя сильное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие кажется инвариантным при комбинированной операции преобразования CP, дальнейшие эксперименты показали, что эта симметрия слегка нарушается во время некоторых типов слабого распада.

Только более слабая версия симметрии могла быть сохранена с помощью физических явлений, которыми была симметрия CPT. Помимо C и P, существует третья операция, обращение времени T, которая соответствует обращению движения. Инвариантность относительно обращения времени означает, что всякий раз, когда движение разрешено законами физики, обратное движение также разрешено и происходит с той же скоростью вперед и назад.

Считается, что комбинация CPT представляет собой точную симметрию всех типов фундаментальных взаимодействий. Из-за CPT-симметрии нарушение CP-симметрии эквивалентно нарушению T-симметрии. CP-нарушение подразумевает несохранение T при условии, что давняя CPT-теорема верна. В этой теореме, рассматриваемой как один из основных принципов квантовой теории поля, зарядовое сопряжение, четность и обращение времени применяются вместе.

История

P-симметрия

Идея симметрии четности заключалась в том, что уравнения физики элементарных частиц инвариантны относительно зеркальной инверсии. Это привело к предсказанию, что зеркальное отображение реакции (такой как химическая реакция или радиоактивный распад ) происходит с той же скоростью, что и исходная реакция. Однако в 1956 г. тщательный критический обзор существующих экспериментальных данных физиками-теоретиками Цун-Дао Ли и Чен-Нинг Янг показал, что, хотя сохранение четности было подтверждено в распадах сильным или электромагнитных взаимодействий, это не было проверено в слабом взаимодействии. Они предложили несколько возможных прямых экспериментальных испытаний.

Первый тест, основанный на бета-распаде ядер кобальта-60, был проведен в 1956 году группой под руководством Чиен-Шиунг Ву, и убедительно продемонстрировали, что слабые взаимодействия нарушают P-симметрию или, по аналогии, некоторые реакции происходят не так часто, как их зеркальное отображение. Тем не менее, симметрия четности по-прежнему действует для всех реакций, включающих электромагнетизм и сильные взаимодействия.

CP-симметрию

В целом симметрия квантово-механическая система может быть восстановлена, если может быть найдена другая приблизительная симметрия S, такая, что комбинированная симметрия PS остается ненарушенной. Этот довольно тонкий момент о структуре гильбертова пространства был реализован вскоре после открытия нарушения P, и было предложено, что зарядовое сопряжение C, которое превращает частицу в ее античастицу, была подходящей симметрией для восстановления порядка.

Лев Ландау предложил в 1957 году CP-симметрию, которую часто называют просто CP как истинную симметрию между материей и антивеществом. СР-симметрия является результатом двух преобразований : C для зарядового сопряжения и P для четности. Другими словами, предполагалось, что процесс, в котором все частицы обмениваются на их античастицы, эквивалентен зеркальному отображению исходного процесса.

Экспериментальный статус

Косвенное нарушение CP

В 1964 году Джеймс Кронин, Вэл Фитч и его сотрудники предоставили четкие доказательства из каон может быть нарушена CP-симметрия. Эта работа принесла им Нобелевскую премию 1980 года. Это открытие показало, что слабые взаимодействия нарушают не только симметрию зарядового сопряжения C между частицами и античастицами и P или четность, но и их комбинацию. Это открытие шокировало физику элементарных частиц и открыло дверь для вопросов, которые до сих пор лежат в основе физики элементарных частиц и космологии. Отсутствие точной CP-симметрии, но также и тот факт, что она настолько близка к симметрии, создают большую загадку.

Вид CP-нарушения, обнаруженный в 1964 году, был связан с тем фактом, что нейтральные каоны могут превращаться в свои античастицы (в которых каждый кварк заменяется на другой антикварк) и наоборот, но такое преобразование не происходит с одинаковой вероятностью в обоих направлениях; это называется косвенным CP-нарушением.

Прямое CP-нарушение

прямоугольная диаграмма колебаний Каона

Две прямоугольные диаграммы выше - это диаграммы Фейнмана, дающие основной вклад в амплитуду . K. -. K. колебаний

Несмотря на много поисков, никаких других проявлений CP-нарушения не было обнаружено до 1990-х годов, когда NA31 эксперимент в CERN предложил доказательства CP-нарушения в процессе распада тех же самых нейтральных каонов (прямые Нарушение CP). Наблюдение было несколько спорным, и окончательное доказательство этого было получено в 1999 году в эксперименте KTeV в Фермилабе и эксперименте NA48 в CERN.

. В 2001 году появилось новое поколение экспериментов, в том числе эксперимент BaBar в Стэнфордском центре линейных ускорителей (SLAC ) и эксперимент Belle в Исследовательской организации высокоэнергетических ускорителей (KEK ) в Японии наблюдали прямое CP-нарушение в другой системе, а именно в распадах B-мезонов. В настоящее время обнаружено большое количество процессов нарушения CP-инвариантности в распадах B-мезона. До этих экспериментов «B-factory » существовала логическая возможность, что все CP-нарушение ограничивается физикой каонов. Однако это подняло вопрос, почему нарушение CP не распространяется на сильное взаимодействие, и, более того, почему это не было предсказано нерасширенной Стандартной моделью, несмотря на точность модели для «нормальных» явлений.

В 2011 г. намек на CP-нарушение в распадах нейтральных D-мезонов был обнаружен в эксперименте LHCb в ЦЕРН с использованием 0,6 фб Выполните 1 данные. Однако то же самое измерение с использованием полной выборки 3,0 фб Run 1 соответствовало CP-симметрии.

В 2013 году LHCb объявил об открытии CP-нарушения в распадах странного B-мезона.>В марте 2019 года LHCb объявил об обнаружении CP-нарушения в очарованных распадах $D 0 {\ displaystyle D ^ {0}}$ ${\ displaystyle D ^ {0}}$ с отклонением от нуля в 5,3 стандартных отклонения.

В 2020 году T2K Collaboration впервые сообщило о некоторых признаках нарушения CP в лептонах. В этом эксперименте пучки мюонных нейтрино (. ν. μ) и мюонных антинейтрино (. ν. μ) поочередно производились с помощью ускорителя. К тому времени, когда они добрались до детектора, из лучей. ν. μбыла обнаружена значительно более высокая доля электронных нейтрино (. ν. e), чем из лучей. ν. μэлектронных антинейтрино (. ν. e). Результаты еще не были достаточно точными, чтобы определить размер CP-нарушения по сравнению с кварками. Кроме того, в другом аналогичном эксперименте, NOvA не обнаружено никаких доказательств нарушения CP в осцилляциях нейтрино, и он находится в небольшом напряжении с T2K.

Нарушение CP в Стандартной модели

" Прямое "нарушение CP" допускается в стандартной модели, если сложная фаза появляется в матрице CKM, описывающей кварк смешивание, или в матрице PMNS описывающий нейтринное смешивание. Необходимым условием появления сложной фазы является наличие не менее трех поколений кварков. Если присутствует меньшее количество поколений, параметр комплексной фазы может быть поглощен при переопределении кварковых полей. Популярным инвариантом перефазировки, исчезающие сигналы которого отсутствуют в CP-нарушении и возникают в большинстве CP-нарушающих амплитуд, является инвариант Ярлскога,

J = c 12 c 13 2 c 23 s 12 s 13 s 23 sin ⁡ δ ≈ 3 × 10 - 5. {\ displaystyle \, J = c_ {12} c_ {13} ^ {2} c_ {23} s_ {12} s_ {13} s_ {23} \ sin \ delta \ приблизительно 3 \ times 10 ^ {- 5} \,.}

{\ displaystyle \, J = c_ {12} c_ {13} ^ {2} c_ {23} s_ {12} s_ {13} s_ {23} \ sin \ delta \ приблизительно 3 \ times 10 ^ {- 5} \,.}

Причина, по которой такая сложная фаза вызывает CP-нарушение, не сразу очевидна, но ее можно увидеть в следующем. Рассмотрим любые заданные частицы (или наборы частиц) $a {\ displaystyle a}$ $a$ и $b {\ displaystyle b}$ $b$ и их античастицы $a ¯ {\ displaystyle {\ bar {a}}}$ ${\ bar {a}}$ и $b ¯ {\ displaystyle {\ bar {b}}}$ ${\ bar {b}}$ . Теперь рассмотрим процессы $a → b {\ displaystyle a \ rightarrow b}$ $a \ rightarrow b$ и соответствующий процесс античастиц $a ¯ → b ¯ {\ displaystyle {\ bar {a}} \ rightarrow { \ bar {b}}}$ ${\ bar {a}} \ rightarrow {\ bar {b}}$ , и обозначают их амплитуды $M {\ displaystyle M}$ $M$ и $M ¯ {\ displaystyle {\ bar {M}}}.$ ${\ bar {M}}$ соответственно. Перед нарушением CP эти члены должны быть одним и тем же комплексным числом. Мы можем разделить величину и фазу, написав $M = | M | е я θ {\ Displaystyle M = | M | е ^ {я \ theta}}$ $M = | M | e ^ {i \ theta}$ . Если фазовый член вводится из (например) матрицы CKM, обозначьте его $e i ϕ {\ displaystyle e ^ {i \ phi}}$ $e ^ {i \ phi}$ . Обратите внимание, что $M ¯ {\ displaystyle {\ bar {M}}}$ ${\ bar {M}}$ содержит матрицу, сопряженную с $M {\ displaystyle M}$ $M$ , поэтому он принимает фазовый член $e - i ϕ {\ displaystyle e ^ {- i \ phi}}$ $e ^ {- i \ phi}$ .

Теперь формула принимает следующий вид:

M = | M | е я θ е я ϕ {\ displaystyle M = | M | e ^ {i \ theta} e ^ {i \ phi}}

M = | M | e ^ {i \ theta} e ^ { я \ phi}

M ¯ = | M | е я θ е - я ϕ {\ displaystyle {\ bar {M}} = | M | e ^ {i \ theta} e ^ {- i \ phi}}

{\ bar {M}} = | M | e ^ {i \ theta} e ^ {- i \ phi}

Физически измеримые скорости реакции пропорциональны $| M | 2 {\ displaystyle | M | ^ {2}}$ $| M | ^ {2}$ , пока ничего не изменилось. Однако учтите, что существует два разных маршрута: $a ⟶ 1 b {\ displaystyle a {\ overset {1} {\ longrightarrow}} b}$ ${\ displaystyle a {\ overset {1} {\ longrightarrow}} b}$ и $a ⟶ 2 b {\ displaystyle a {\ overset {2} {\ longrightarrow}} b}$ ${\ displaystyle a {\ overset {2} {\ longrightarrow}} b}$ или, что эквивалентно, два несвязанных промежуточных состояния: $a → 1 → b {\ displaystyle a \ rightarrow 1 \ rightarrow b}$ ${\ displaystyle a \ rightarrow 1 \ rightarrow b}$ и $a → 2 → b {\ displaystyle a \ rightarrow 2 \ rightarrow b}$ ${\ displaystyle a \ rightarrow 2 \ rightarrow b}$ . Теперь имеем:

M = | M 1 | e i θ 1 e i ϕ 1 + | M 2 | ei θ 2 ei ϕ 2 {\ displaystyle M = | M_ {1} | e ^ {i \ theta _ {1}} e ^ {i \ phi _ {1}} + | M_ {2} | e ^ {i \ theta _ {2}} e ^ {i \ phi _ {2}}}

{\ displaystyle M = | M_ {1} | e ^ {i \ theta _ {1}} e ^ {i \ phi _ {1}} + | M_ {2} | e ^ {i \ theta _ {2}} e ^ {i \ phi _ {2}}}

M ¯ = | M 1 | e i θ 1 e - i ϕ 1 + | M 2 | ei θ 2 е - я ϕ 2 {\ displaystyle {\ bar {M}} = | M_ {1} | e ^ {i \ theta _ {1}} e ^ {- i \ phi _ {1}} + | M_ {2} | e ^ {i \ theta _ {2}} e ^ {- i \ phi _ {2}}}

{\ displaystyle {\ bar {M}} = | M_ {1} | e ^ {i \ theta _ {1}} e ^ {- i \ phi _ {1}} + | M_ {2} | e ^ {i \ theta _ {2}} e ^ {- i \ phi _ {2}}}

Некоторые дальнейшие вычисления дают:

| M | 2 - | M ¯ | 2 = - 4 | M 1 | | M 2 | грех ⁡ (θ 1 - θ 2) грех ⁡ (ϕ 1 - ϕ 2) {\ displaystyle | M | ^ {2} - | {\ bar {M}} | ^ {2} = - 4 | M_ {1} || M_ {2} | \ sin (\ theta _ {1} - \ theta _ {2}) \ sin (\ phi _ {1} - \ phi _ {2})}

{\ displaystyle | M | ^ {2} - | {\ bar {M}} | ^ {2} = - 4 | M_ {1} || M_ {2} | \ sin (\ theta _ {1} - \ theta _ {2}) \ sin (\ phi _ {1} - \ phi _ {2})}

Таким образом, мы видим, что сложная фаза порождает процессы, протекающие с разной скоростью для частиц и античастиц, и CP нарушается.

С теоретической точки зрения матрица CKM определяется как V CKM = U u. U. d, где U u и U d - матрицы унитарного преобразования, которые диагонализируют матрицы масс фермионов M u и M d соответственно.

Таким образом, есть два необходимых условия для получения комплексной матрицы CKM:

По крайней мере одно из U u и U d является комплексным, или CKM матрица будет чисто реальной.
Если они оба сложны, U u и U d не должны быть одинаковыми, т. е. U u ≠ U d, или матрица CKM будет единичной матрицей, которая также является чисто реальной.

Сильная проблема CP

Нерешенная проблема в физике :. Почему сильная сила ядерного взаимодействия CP-инвариант? (больше нерешенных проблем в физике)

Нет экспериментально известного нарушения CP-симметрии в квантовой хромодинамике. Поскольку нет известной причины для его сохранения конкретно в КХД, это проблема «тонкой настройки», известная как сильная проблема CP..

КХД не нарушает CP-симметрию так же легко, как электрослабая теория ; в отличие от электрослабой теории, в которой калибровочные поля связаны с киральными токами, построенными из фермионных полей, глюоны взаимодействуют с векторными токами. Эксперименты не указывают на нарушение CP в секторе КХД. Например, типичное CP-нарушение в сильно взаимодействующем секторе создаст электрический дипольный момент нейтрона , который будет сравним с 10 e · м, в то время как экспериментальная верхняя граница примерно равна одной триллионной этой величины.

Это проблема, потому что в конце есть естественные члены в QCD лагранжиане, которые могут нарушить CP-симметрию.

L = - 1 4 F μ ν F μ ν - nfg 2 θ 32 π 2 F μ ν F ~ μ ν + ψ ¯ (i γ μ D μ - mei θ ′ γ 5) ψ {\ displaystyle {\ mathcal {L}} = - {\ frac {1} {4}} F _ {\ mu \ nu} F ^ {\ mu \ nu} - {\ frac {n_ {f} g ^ {2} \ theta} { 32 \ pi ^ {2}}} F _ {\ mu \ nu} {\ tilde {F}} ^ {\ mu \ nu} + {\ bar {\ psi}} (i \ gamma ^ {\ mu} D_ { \ mu} -me ^ {i \ theta '\ gamma _ {5}}) \ psi}

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

При ненулевом выборе угла θ и угла θ ′ ожидается нарушение CP-симметрии. Обычно предполагается, что массовая фаза кирального кварка может быть преобразована во вклад в общий эффективный угол $θ ~ {\ displaystyle \ scriptstyle {\ tilde {\ theta}}}$ $\ scriptstyle {\ tilde {\ theta}}$ , но остается объяснить, почему этот угол чрезвычайно мал вместо того, чтобы быть первого порядка; конкретное значение угла θ, которое должно быть очень близко к нулю (в данном случае), является примером задачи точной настройки в физике и обычно решается физикой за пределами Стандартной модели.

Есть несколько предлагаемых решений для решения сильной проблемы CP. Наиболее известна теория Печчеи – Куинна, включающая новые скалярные частицы, называемые аксионами. Более новый, более радикальный подход, не требующий аксиона, - это теория, включающая два временных измерения, впервые предложенная в 1998 году Барсом, Делидуманом и Андреевым.

Дисбаланс материи и антивещества

Нерешенная проблема в физике :. Почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества? (больше нерешенных проблем в физике)

Вселенная состоит в основном из материи, а не состоит из равных частей материи и антивещества, как и следовало ожидать. Можно продемонстрировать, что для создания дисбаланса материи и антивещества из начального состояния баланса должны быть выполнены условия Сахарова, одним из которых является наличие CP-нарушения в экстремальных условиях первого секунд после Большого взрыва. Объяснения, которые не связаны с CP-нарушением, менее правдоподобны, поскольку они основываются на предположении, что дисбаланс материя-антивещество присутствовал в начале, или на других предположительно экзотических предположениях.

Большой взрыв должен был произвести равное количество вещества и антивещества, если бы CP-симметрия сохранилась; как таковое должно было произойти полное уничтожение обоих - протонов следовало компенсировать антипротонами, электронами позитронами, нейтроны с антинейтронами и так далее. В результате во Вселенной образовалось бы море излучения без материи. Поскольку это не так, после Большого взрыва физические законы должны были действовать по-разному для вещества и антивещества, т.е. нарушать CP-симметрию.

Стандартная модель содержит как минимум три источника нарушения CP. Первый из них, связанный с матрицей Кабиббо – Кобаяши – Маскавы в секторе кварков, наблюдался экспериментально и может объяснить лишь небольшую часть CP-нарушения, необходимого для объяснения асимметрия материя-антивещество. Сильное взаимодействие также должно нарушать CP, в принципе, но невозможность наблюдать электрический дипольный момент нейтрона в экспериментах предполагает, что любое CP-нарушение в сильном секторе также слишком мало, чтобы учесть необходимое CP нарушение в ранней вселенной. Третий источник CP-нарушения - это матрица Понтекорво – Маки – Накагавы – Сакаты в секторе лептон. Текущие эксперименты по осцилляциям нейтрино с длинной базой, T2K и NOνA, могут быть в состоянии найти доказательства CP-нарушения для небольшой части возможных значений CP-нарушающей фазы Дирака, в то время как предлагаемые Эксперименты следующего поколения, Hyper-Kamiokande и DUNE, будут достаточно чувствительны, чтобы окончательно наблюдать CP-нарушение в относительно большой части возможных значений фазы Дирака. В будущем фабрика нейтрино может быть чувствительна почти ко всем возможным значениям CP-нарушающей фазы Дирака. Если нейтрино являются майорановскими фермионами, то матрица PMNS может иметь две дополнительные CP-нарушающие майорановские фазы, что приводит к четвертому источнику CP-нарушения в Стандартной модели. Экспериментальным доказательством существования нейтрино Майорана могло бы стать наблюдение безнейтринного двойного бета-распада. Лучшие пределы взяты из эксперимента GERDA. CP-нарушение в лептонном секторе порождает асимметрию материя-антивещество посредством процесса, называемого лептогенез. Это могло бы стать предпочтительным объяснением в Стандартной модели асимметрии материя-антивещество Вселенной, если CP-нарушение будет экспериментально подтверждено в лептонном секторе.

Если CP-нарушение в лептонном секторе экспериментально определено, что оно слишком мало для объяснения асимметрии материя-антивещество, потребуется некоторая новая физика за пределами Стандартной модели для объяснения дополнительных источников CP нарушение. Добавление новых частиц и / или взаимодействий в Стандартную модель обычно вводит новые источники CP-нарушения, поскольку CP не является симметрией природы.

Сахаров предложил способ восстановления CP-симметрии с помощью T-симметрии, расширяя пространство-время до Большого взрыва. Он описал полные CPT-отражения событий по обе стороны от того, что он назвал «начальной сингулярностью». Из-за этого явления с противоположной стрелкой времени в t < 0 would undergo an opposite CP violation, so the CP-symmetry would be preserved as a whole. The anomalous excess of matter over antimatter after the Big Bang in the orthochronous (or positive) sector, becomes an excess of antimatter before the Big Bang (antichronous or negative sector) as both charge conjugation, parity and arrow of time are reversed due to CPT reflections of all phenomena occurring over the initial singularity:

Мы можем визуализировать, что нейтральные бесспиновые максимоны (или фотоны) образуются в t < 0 from contracting matter having an excess of antiquarks, that they pass "one through the other" at the instant t = 0 when the density is infinite, and decay with an excess of quarks when t>0, реализуя полную CPT-симметрию Вселенной. Все явления в t < 0 are assumed in this hypothesis to be CPT reflections of the phenomena at t>0.

— Андрей Сахаров, в Сборнике научных работ (1982).