Парушэнне CP-інварыянтнасці

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 іграе важную ролю ў тэорыях касмалогіі, якія спрабуюць растлумачыць перавагу матэрыі над антыматэрыяй у 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 адной з неабходных умоў для практычна поўнага знішчэння антырэчыва на раннім этапе развіцця Сусвету. У 1973 г., спрабуючы знайсці тлумачэнне CP-парушэння ў распадзе нейтральных каонаў і адштурхваючыся ад ідэі  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 ўласцівасцей B і анты-B мезонаў, уключаючы прамое CP-парушэнне, былі адкрыты на эксперыментах  і  ў 2002—2007 гадах, адкрыўшы шлях да прысуджэння ім Нобелеўскай прэміі па фізіцы 2008.

 Што такое CP? 

CP — гэта здабытак двух сіметрыя: C — зарадавае спалучэнне, якое ператварае часціцу ў яе антычасціцу, і P — цотнасць, якая стварае люстраную выяву фізічнай сістэмы. Моцнае ўзаемадзеянне і электрамагнітнае ўзаемадзеянне з’яўляюцца інварыянтнымі адносна камбінаванай аперацыі CP-пераўтварэння, але гэтая сіметрыя трохі парушаецца ў некаторых тыпах слабага распаду. Гістарычна CP-сіметрыя была прапанавана для аднаўлення парадку пасля адкрыцця парушэння прасторавай цотнасці ў 1950-я.

Ідэя сіметрыі цотнасці ў тым, што ўраўненні фізікі інварыянтныя адносна люстраной інверсіі. Гэта вядзе да прадказання таго, што люстраная выява 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 Чжэньнінам Янгам 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 Цзяньсюн. 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 паваротам часу назад. 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 парушэння 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 прапанавана ў 1957 г. Львом Ландау як сапраўдная сіметрыя паміж матэрыяй і антыматэрыяй. Іншымі словамі, працэс, у якім усе часціцы мяняюцца са сваімі антычасціцамі, лічыцца эквівалентным люстраному адлюстраванню дадзенага працэсу.

 Эксперыментальныя сведчанні 
 Ускоснае парушэнне CP-сіметрыі 

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 парушана, за гэта адкрыццё ім дасталася Нобелеўская прэмія па фізіцы 1980. Іх адкрыццё паказала, што слабыя ўзаемадзеянні парушаюць не толькі сіметрыю зарадавага 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. Крыстэнсанам, Кроніным, Фітчам і Торлеем было адкрыта парушэнне CP-сіметрыі ў эксперыментах па распаду каонаў; у фізічных з’явах захоўваецца толькі больш слабы (але і больш прынцыповы) варыянт сіметрыі — CPT-інварыянтнасць. Акрамя C і P, існуе трэцяя аперацыя — паварот часу (T), якая адпавядае абарачальнасці руху. Інварыянтнасць адносна павароту часу азначае, што калі рух дазволены законамі фізікі, то адваротны рух таксама дазволена. Камбінацыя CPT з’яўляецца дакладнай сіметрыяй усіх тыпаў фундаментальных узаемадзеянняў. З-за CPT-сіметрыі парушэнне CP-сіметрыі эквівалентна парушэнню T-сіметрыі. Парушэнне CP-сіметрыі прадугледжвае незахаванне T, зыходзячы са здагадкі, што CPT-тэарэма правільная. У гэтай тэарэме, якая лічыцца адным з асноўных прынцыпаў квантавай тэорыі поля, зарадавае спалучэнне, цотнасць і паварот часу прымяняюцца разам.

 Прамое парушэнне CP-сіметрыі 
Тып парушэння CP-сіметрыі, адкрыты ў 1964 годзе, 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  у 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  у ЦЕРН.

У 2001 годзе ў новым пакаленні эксперыментаў, у тым ліку ў эксперыменце BaBar у Стэнфардскам цэнтры лінейных паскаральнікаў (SLAC, ЗША) і ў эксперыменце Belle пры Арганізацыі па даследаваннях на паскаральніках высокіх энергій (KEK, Японія), назіралася прамое парушэнне CP-сіметрыі ў распадах B-мезонаў. Да гэтых эксперыментаў існавала лагічная магчымасць, 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 камплекснай фазы ў CKM-матрыцу, якая апісвае змешванне кваркаў. У такой схеме неабходнай умовай для з’яўлення камплекснай фазы і парушэння CP-сіметрыі з’яўляецца існаванне па меншай меры трох пакаленняў кваркаў.

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

 Моцная CP-праблема 

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 калібровачныя палі звязваюцца ў хіральныя токі, створаныя ферміённымі палямі, глюоны звязваюцца ў вектарныя токі. Эксперыменты не паказваюць ніякага парушэння CP-сіметрыі ў вобласці КХД. Напрыклад, агульнае парушэнне CP-сіметрыі ў вобласці КХД стварыла б электрычны дыпольны момант у нейтрона, які быў бы каля  (зарад электрона, памножаны на метр), у той час як эксперыментальная верхняя мяжа прыблізна ў трыльён раз менш.

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



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

 Літаратура 



 Спасылкі 




  (Коллекция вводных эссе по теме с акцентом на экспериментальные данные.)


 Davide Castelvecchi, What is direct CP-violation? , Стенфордский линейный ускоритель (Stanford Linear Accelerator — SLAC)
  . Также смотреть Phys. Rev. Lett. 93, 131801 (2004)  і Phys. Rev. Lett. 98, 211801 (2007) .

Катэгорыя:Фізіка за межамі Стандартнай мадэлі
Катэгорыя:Квантавая тэорыя поля
Катэгорыя:Законы захавання
Катэгорыя:Слабае ўзаемадзеянне