Нарушение CP - CP violation

В физике элементарных частиц , СР - нарушение представляет собой нарушение CP-симметрии (или заряд сопряжения симметрии четности ): сочетание C-симметрии ( заряд симметрии) и P-симметрии ( четности симметрии). CP-симметрия утверждает, что законы физики должны быть такими же, если частица поменяется местами со своей античастицей (C-симметрия), в то время как ее пространственные координаты инвертированы («зеркальная» или P-симметрия). Открытие CP-нарушения в 1964 году в распадах нейтральных каонов привело к присуждению Нобелевской премии по физике в 1980 году его первооткрывателям Джеймсу Кронину и Валу Фитчу .

Он играет важную роль как в попытках космологии объяснить преобладание материи над антивеществом в современной Вселенной , так и в изучении слабых взаимодействий в физике элементарных частиц.

Обзор

До 1950-х годов сохранение четности считалось одним из фундаментальных геометрических законов сохранения (наряду с сохранением энергии и импульса ). После открытия нарушения четности в 1956 году для восстановления порядка была предложена CP-симметрия. Однако, хотя сильное взаимодействие и электромагнитное взаимодействие кажутся инвариантными 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 физическими явлениями, а именно CPT-симметрией . Помимо C и P, существует третья операция, обращение времени T , которое 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 влечет несохранение T, если верна давняя CPT-теорема. В этой теореме, рассматриваемой как один из основных принципов квантовой теории поля , зарядовое сопряжение, четность и обращение времени применяются вместе. Прямое наблюдение нарушения симметрии обращения времени без каких-либо предположений теоремы CPT было выполнено в 1998 году двумя группами, коллаборациями CPLEAR и KTeV, в ЦЕРНе и Фермилабе , соответственно. Уже в 1970 году Клаус Шуберт наблюдал нарушение Т независимо от предположения о CPT-симметрии, используя соотношение унитарности Белла-Штейнбергера.

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 году тщательный критический обзор существующих экспериментальных данных физиками - теоретиками Цунг-Дао Ли и Чен-Нинг Янг показал, что, хотя сохранение четности было подтверждено в распадах сильными или электромагнитными взаимодействиями, оно не было проверено в слабом взаимодействии. Они предложили несколько возможных прямых экспериментальных испытаний.

Первый тест основан на бета - распаде из кобальта-60 ядер была проведена в 1956 году группой под руководством Ву Цзяньсюн и убедительно показал , что слабые взаимодействия нарушают P симметрию или, как аналогия идет, некоторые реакции не происходит , как часто как их зеркальное отражение. Тем не менее, симметрия четности по- прежнему действует для всех реакций, включающих электромагнетизм и сильные взаимодействия .

CP-симметрия

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

В 1956 году Райнхард Оэме в письме к Яну, а вскоре после этого Иоффе, Окун и Рудик показали, что нарушение четности означает, что инвариантность зарядового сопряжения также должна нарушаться в слабых распадах.

Нарушение Charge было подтверждено в эксперименте В и в экспериментах , выполненных Телегди и Джером Фридманом и Гарвиным и Ледерман , наблюдавших несохранение четности в пионе и распад мюон и обнаружил , что C также нарушается. Нарушение Charge было более четко показано в экспериментах , проведенных Джоном Райли Холт в Университете Ливерпуля .

Затем Оэме вместе с Ли и Янгом написал статью, в которой они обсудили взаимодействие неинвариантности относительно P, C и T. Тот же результат был независимо получен Б.Л. Иоффе, Окуном и А.П. Рудиком. Обе группы также обсудили возможные нарушения CP в распадах нейтральных каонов.

Лев Ландау предложил в 1957 году CP-симметрию , которую часто называют просто CP как истинную симметрию между материей и антивеществом. CP-симметрия является результатом двух преобразований : C для зарядового сопряжения и P для четности. Другими словами, предполагалось, что процесс, в котором все частицы обмениваются со своими античастицами, эквивалентен зеркальному отображению исходного процесса, и поэтому комбинированная CP-симметрия будет сохраняться при слабом взаимодействии.

В 1962 году группа экспериментаторов в Дубне по настоянию Окуня безуспешно искала CP-нарушающий распад каона.

Экспериментальный статус

Косвенное нарушение CP

В 1964 году Джеймс Кронин , Val Fitch и сотрудники дали ясное доказательство от каонном распада , что CP-симметрия может быть нарушена. 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.

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

Прямое нарушение CP

Схема колебательного ящика Kaon

Две прямоугольные диаграммы выше - это диаграммы Фейнмана, дающие основные вклады в амплитуду
K⁰
-
K⁰
колебание

Несмотря на многочисленные поиски, никаких других проявлений CP-нарушения не было обнаружено до 1990-х годов, когда эксперимент NA31 в ЦЕРНе предложил доказательства CP-нарушения в процессе распада тех же самых нейтральных каонов ( прямое CP-нарушение). Это наблюдение было несколько спорным, и окончательное доказательство этого было получено в 1999 году в эксперименте KTeV в Фермилабе и эксперименте NA48 в ЦЕРНе .

Начиная с 2001 года, в экспериментах нового поколения, включая эксперимент BaBar в Стэнфордском центре линейных ускорителей ( SLAC ) и эксперимент Belle в Исследовательской организации высокоэнергетических ускорителей ( KEK ) в Японии, наблюдалось прямое CP-нарушение в другой системе, а именно: в распадах B-мезонов . К настоящему времени обнаружено большое количество процессов нарушения CP-инвариантности в распадах B-мезонов . До этих экспериментов с « B-фабрикой » существовала логическая возможность, что все CP-нарушение ограничивалось физикой каонов. Однако это подняло вопрос, почему нарушение CP не распространяется на сильное взаимодействие, и, более того, почему это не было предсказано Стандартной моделью без расширения , несмотря на точность модели для «нормальных» явлений.

В 2011 г. намек на СР-нарушение в распадах нейтральных D-мезонов был обнаружен в эксперименте LHCb в ЦЕРН с использованием 0,6 фбн ^-1 данных прогона 1. Однако такое же измерение с использованием полной пробы 3,0 фб ^-1, прогона 1, соответствовало симметрии CP.

В 2013 году LHCb объявил об открытии CP-нарушения в распадах странных B-мезонов .

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

В 2020 году T2K Collaboration впервые сообщила о некоторых признаках нарушения CP у лептонов. В этом эксперименте пучки мюонных нейтрино (
ν
_μ) и мюонных антинейтрино (
ν
_μ) попеременно производились ускорителем . К тому времени, как они добрались до детектора, доля электронных нейтрино (
ν
_е) были обнаружены из
ν
_μ пучки, чем электронные антинейтрино (
ν
_е) были из
ν
_μбалки. Результаты еще не были достаточно точными, чтобы определить размер CP-нарушения по сравнению с кварками. Кроме того, другой подобный эксперимент, NOvA, не видит доказательств нарушения CP в осцилляциях нейтрино и находится в небольшом напряжении с T2K.

Нарушение CP в Стандартной модели

«Прямое» CP-нарушение разрешено в Стандартной модели, если сложная фаза появляется в матрице CKM, описывающей смешивание кварков , или матрице PMNS, описывающей смешивание нейтрино . Необходимым условием появления сложной фазы является наличие не менее трех поколений кварков. Если присутствует меньшее количество поколений, комплексный фазовый параметр может быть использован при переопределении кварковых полей. Популярным инвариантом перефазировки, исчезающие сигналы которого отсутствуют в CP-нарушении и возникают в большинстве CP-нарушающих амплитуд, является инвариант Ярлскога ,

{\ 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 нарушение CP, не сразу очевидна, но ее можно увидеть в следующем. Рассмотрим любые заданные частицы (или наборы частиц) и , и их античастицы и . Теперь рассмотрим процессы и соответствующий античастичный процесс и обозначим их амплитуды и соответственно. Перед нарушением CP эти члены должны быть одним и тем же комплексным числом. Мы можем разделить величину и фазу письменно . Если фазовый член вводится из (например) матрицы CKM, обозначьте его . Обратите внимание, что он содержит матрицу, сопряженную с , поэтому он подбирает фазовый член . ${\ displaystyle a}$ ${\ displaystyle b}$ ${\ displaystyle {\ bar {a}}}$ ${\ displaystyle {\ bar {b}}}$ ${\ displaystyle a \ rightarrow b}$ ${\ displaystyle {\ bar {a}} \ rightarrow {\ bar {b}}}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle {\ bar {M}}}$ ${\ Displaystyle М = | М | е ^ {я \ тета}}$ ${\ displaystyle e ^ {я \ phi}}$ ${\ displaystyle {\ bar {M}}}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle e ^ {- я \ phi}}$

Теперь формула выглядит так:

{\ Displaystyle М = | М | е ^ {я \ тета} е ^ {я \ фи}}

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

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

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

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

Дальнейший расчет дает:

{\ displaystyle | M | ^ {2} - | {\ bar {M}} | ^ {2} = - 4 | M_ {1} || M_ {2} | \ sin (\ theta _ {1} - \ тета _ {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 . $U$ ^﹢
_г, где $U$ _u и $U$ _d - унитарные матрицы преобразования, которые диагонализируют массовые матрицы фермионов $M$ _u и $M$ _d соответственно.

Таким образом, есть два необходимых условия для получения сложной матрицы СКМ:

По крайней мере, одно из $U$ _u и U _d является комплексным, иначе матрица CKM будет чисто реальной.
Если оба они комплексные, $U$ _u и $U$ _d не должны быть одинаковыми, т.е. $U u \neq U d$ , или матрица CKM будет единичной матрицей, которая также является чисто реальной.

Сильная проблема CP

Нерешенная проблема в физике :

Почему сила сильного ядерного взаимодействия CP-инвариантна?

(больше нерешенных задач по физике)

Нарушение CP-симметрии в квантовой хромодинамике не известно экспериментально . Поскольку нет известной причины для его сохранения конкретно в КХД, это проблема «точной настройки», известная как проблема сильной CP .

КХД не так легко нарушает CP-симметрию, как электрослабая теория ; В отличие от электрослабой теории, в которой калибровочные поля взаимодействуют с киральными токами, построенными из фермионных полей, глюоны взаимодействуют с векторными токами. Эксперименты не указывают на нарушение CP в секторе КХД. Например, общее нарушение СР в сильно взаимодействующей сектор создал бы электрический дипольный момент от нейтрона , который был бы сопоставим с 10 ^-18 е · м а экспериментальная верхняя граница примерно однотрилионным что размер.

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

{\ 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}

При ненулевом выборе угла θ и киральной фазы кварковой массы θ ′ ожидается нарушение CP-симметрии. Обычно предполагается, что фаза киральной массы кварка может быть преобразована во вклад в общий эффективный угол, но остается объяснить, почему этот угол чрезвычайно мал, а не равен единице; конкретное значение угла θ, которое должно быть очень близко к нулю (в данном случае), является примером проблемы точной настройки в физике и обычно решается физикой за пределами Стандартной модели . ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ tilde {\ theta}}}$

Есть несколько предлагаемых решений для решения сильной проблемы CP. Наиболее известна теория Печчеи – Куинна , в которой участвуют 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 материя-антивещество

Нерешенная проблема в физике :

Почему во Вселенной намного больше материи, чем антивещества?

(больше нерешенных задач по физике)

Непостоянство темной материи Вселенная состоит преимущественно из материи , а не состоящие из равных частей материи и антиматерии , как можно было бы 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 первых секунд после Большого взрыва . Объяснения, которые не связаны с CP-нарушением, менее правдоподобны, поскольку они основаны 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 сохранялась; как таковые, должны были быть полное списание both- протоны должны было отменено с антипротонами , электронами с позитронами , нейтронами 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 материи и антивещества, т.е. нарушать CP-симметрию.

Стандартная модель содержит как минимум три источника CP-нарушения. Первый из них, связанный с матрицей Кабиббо – Кобаяши – Маскавы в кварковом секторе, наблюдался экспериментально и может объяснить лишь небольшую часть CP-нарушения, необходимого для объяснения асимметрии 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 объяснить необходимое CP-нарушение в ранней Вселенной. Третий источник CP-нарушения - матрица Понтекорво – Маки – Накагавы – Сакаты в лептонном секторе. Текущие эксперименты по осцилляциям нейтрино с длинной базой, T2K и NOνA , могут быть в состоянии найти доказательства CP-нарушения в небольшой части возможных значений CP-нарушающей фазы Дирака, в то время как предлагаемые эксперименты следующего поколения, Hyper-Kamiokande и DUNE , будут быть достаточно чувствительным, чтобы окончательно наблюдать CP-нарушение в относительно большой доле возможных значений фазы Дирака. В дальнейшем нейтринная фабрика может быть чувствительна почти ко всем возможным значениям CP, нарушающей дираковскую фазу. Если нейтрино являются майорановскими фермионами , матрица PMNS может иметь две дополнительные CP-нарушающие майорановские фазы, что приводит к четвертому источнику CP-нарушения в Стандартной модели. Экспериментальным свидетельством майорановских нейтрино могло бы стать наблюдение безнейтринного двойного бета-распада . Лучшие пределы взяты из эксперимента GERDA . Нарушение CP в лептонном секторе порождает асимметрию вещества и антивещества посредством процесса, называемого лептогенезом . Это могло бы стать предпочтительным объяснением в Стандартной модели асимметрии материя-антивещество Вселенной, как только CP-нарушение будет экспериментально подтверждено в лептонном секторе.

Если экспериментально определено, что CP-нарушение в лептонном секторе слишком мало для объяснения асимметрии материя-антивещество, потребуется некоторая новая физика, выходящая за рамки Стандартной модели , чтобы объяснить дополнительные источники CP-нарушения. Добавление новых частиц и / или взаимодействий в Стандартную модель обычно вводит новые источники нарушения CP, 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 при t <0 претерпели бы противоположное CP-нарушение, так что CP-симметрия в целом сохранялась бы. Аномальный избыток вещества над антивеществом после Большого взрыва в ортохронном (или положительном) секторе становится избытком антивещества перед Большим взрывом (антихронный или отрицательный сектор), поскольку зарядовое сопряжение, четность и стрела времени меняются местами из-за CPT. отражения всех явлений, происходящих над начальной сингулярностью:

Мы можем представить себе, что нейтральные бесспиновые максимоны (или фотоны) образуются при t <0 из сжимающейся материи, имеющей избыток антикварков, что они проходят «один через другой» в момент t = 0, когда плотность бесконечна, и распадаются с избыток кварков при t > 0, реализующий полную CPT-симметрию Вселенной. В этой гипотезе предполагается, что все явления при t <0 являются CPT-отражениями явлений при t > 0.

- Андрей Сахаров, Сборник научных трудов (1982).

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Соцци, MS (2008). Дискретные симметрии и нарушение CP . Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-929666-8.
GC Branco; Л. Лавура; JP Silva (1999). Нарушение CP . Кларендон Пресс . ISBN 978-0-19-850399-6.
И. Биги; А. Санда (1999). Нарушение CP . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-44349-4.
Майкл Бейер, изд. (2002). Нарушение CP в элементарной, ядерной и астрофизике . Springer . ISBN 978-3-540-43705-5. (Сборник эссе, знакомящих с предметом, с упором на экспериментальные результаты.)
Л. Вольфенштейн (1989). Нарушение CP . Издательство Северной Голландии . ISBN 978-0-444-88081-9. (Подборка оттисков множества важных статей по этой теме, включая статьи Т.Д. Ли, Кронина, Fitch, Кобаяши и Маскавы и многих других.)
Дэвид Дж. Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья . ISBN 978-0-471-60386-3.
Биги, И. (1998). «Нарушение CP - существенная загадка в грандиозном замысле природы». Обзоры по физике высоких энергий . 12 (1–4): 269–336. arXiv : hep-ph / 9712475 . Bibcode : 1998SHEP ... 12..269B . DOI : 10.1080 / 01422419808228861 .
Марк Тродден (1999). «Электрослабый бариогенез». Обзоры современной физики . 71 (5): 1463–1500. arXiv : hep-ph / 9803479 . Bibcode : 1999RvMP ... 71.1463T . DOI : 10.1103 / RevModPhys.71.1463 . S2CID 17275359 .
Давиде Кастельвекки. «Что такое прямое CP-нарушение?» . SLAC . Архивировано из оригинала 3 мая 2014 года . Проверено 1 июля 2009 года .
Элементарное обсуждение нарушения четности и CP-нарушения дано в главе 15 этого учебника для учащихся [1]

внешние ссылки

Статья Cern Courier

Languages

In other projects