CP ihlali - CP violation

İçinde partikül fizik , CP ihlali bir ihlal CP-simetri (veya yük eşleniği parite simetri kombinasyonu:) C simetri ( şarj simetri) ve p-simetri ( parite simetri). CP-simetrisi, bir parçacığın uzamsal koordinatları ters çevrilirken ("ayna" veya P simetrisi) antiparçacığıyla değiştirilirse (C simetrisi) fizik yasalarının aynı olması gerektiğini belirtir. Nötr bir bozunur içinde 1964 yılında CP ihlali keşif kaon sonuçlandı Nobel Fizik Ödülü keşfedenlere için 1980 yılında James Cronin ve Val Fitch .

Bu girişimleri önemli rol hem oynar kozmolojinin hakimiyetini açıklamak için madde üzerinde antimadde şimdiki zamanda evrenin ve çalışmalarında zayıf etkileşimlerin Parçacık fiziğinde.

genel bakış

1950'lerde kadar, parite koruma temel geometrik biri olduğuna inanılan korunum yasaları (birlikte enerjinin korunumu ve momentumun korunumu ). 1956'da parite ihlalinin keşfedilmesinden sonra, düzeni yeniden sağlamak için CP-simetrisi önerildi. Bununla birlikte, güçlü etkileşim ve elektromanyetik etkileşim , birleşik CP dönüşüm işlemi altında değişmez gibi görünse de, daha sonraki deneyler, bu simetrinin belirli zayıf bozunma türleri sırasında hafifçe ihlal edildiğini gösterdi .

Simetrinin yalnızca daha zayıf bir versiyonu, CPT simetrisi olan fiziksel fenomen tarafından korunabilirdi . C ve P'nin yanı sıra , hareketin tersine çevrilmesine tekabül eden üçüncü bir işlem, zamanın tersine çevrilmesi T vardır. Zamanın tersine çevrilmesi altında değişmezlik, fizik yasaları tarafından bir harekete izin verildiğinde, tersine çevrilmiş harekete de izin verildiğini ve ileri ve geri aynı oranda gerçekleştiğini ima eder.

CPT kombinasyonunun, tüm temel etkileşim türlerinin tam bir simetrisini oluşturduğu düşünülmektedir. CPT simetrisi nedeniyle, CP simetrisinin ihlali, T simetrisinin ihlaline eşdeğerdir. CP ihlali, uzun süreli CPT teoreminin geçerli olması koşuluyla, T'nin korunumsuz olduğu anlamına gelir. Kuantum alan teorisinin temel ilkelerinden biri olarak kabul edilen bu teoremde, yük konjugasyonu, parite ve zamanın tersine çevrilmesi birlikte uygulanmaktadır. CPT teoreminin herhangi bir varsayımı olmaksızın zaman tersinir simetri ihlalinin doğrudan gözlemi, 1998'de sırasıyla CERN ve Fermilab'da CPLEAR ve KTeV işbirlikleri olan iki grup tarafından yapıldı . Daha 1970'de Klaus Schubert, Bell-Steinberger bütünlük ilişkisini kullanarak CPT simetrisini varsaymaktan bağımsız olarak T ihlalini gözlemledi.

Tarih

P-simetrisi

Parite simetrisinin ardındaki fikir , parçacık fiziğinin denklemlerinin ayna tersine çevrilmesi altında değişmez olduğuydu. Bu, bir reaksiyonun ayna görüntüsünün ( kimyasal reaksiyon veya radyoaktif bozunma gibi ) orijinal reaksiyonla aynı hızda meydana geldiği tahminine yol açtı . Bununla birlikte, 1956'da teorik fizikçiler Tsung-Dao Lee ve Chen-Ning Yang tarafından mevcut deneysel verilerin dikkatli bir eleştirel incelemesi, parite korunumu güçlü veya elektromanyetik etkileşimler tarafından bozulmalarda doğrulanırken, zayıf etkileşimde test edilmediğini ortaya çıkardı. Birkaç olası doğrudan deneysel test önerdiler.

Göre ilk test beta bozunması ve kobalt-60 çekirdek tarafından yönetilen bir grup tarafından 1956 yılında yürütülmüştür Chien-Shiung Wu ve zayıf etkileşimler analoji gider, bazı reaksiyonlar olarak ortaya çıkmayan, p simetri ihlal veya kesin olarak ortaya koymuştur genellikle onların ayna görüntüsü olarak. Bununla birlikte, parite simetrisi, elektromanyetizma ve güçlü etkileşimler içeren tüm reaksiyonlar için hala geçerli görünmektedir .

CP-simetrisi

Genel olarak, birleştirilmiş simetri PS kırılmadan kalacak şekilde başka bir yaklaşık simetri S bulunabilirse , bir kuantum mekanik sistemin simetrisi geri yüklenebilir . Hilbert uzayının yapısıyla ilgili bu oldukça ince nokta , P ihlalinin keşfinden kısa bir süre sonra fark edildi ve bir parçacığı antiparçacığına dönüştüren C yük konjugasyonunun, düzeni yeniden sağlamak için uygun simetri olduğu öne sürüldü .

1956'da Reinhard Oehme , Yang'a yazdığı bir mektupta ve kısa bir süre sonra Ioffe, Okun ve Rudik, parite ihlalinin, zayıf bozunmalarda yük konjugasyon değişmezliğinin de ihlal edilmesi gerektiği anlamına geldiğini gösterdiler.

Şarj ihlali olarak teyit edildi Wu deney ve gerçekleştirdiği deneyler Valentine Telegdi ve Jerome Friedman ve Garwin ve Lederman'ın pion ve müon çürüme içinde parite olmayan koruma gözlendi ve C de ihlal olduğunu tespit ettik. Şarj ihlali daha açık bir şekilde yapılır deneylerde gösterildiği John Riley Holt de Liverpool Üniversitesi .

Oehme daha sonra Lee ve Yang ile P, C ve T altında değişmezliğin karşılıklı etkileşimini tartıştıkları bir makale yazdı . Aynı sonuç bağımsız olarak BL Ioffe, Okun ve AP Rudik tarafından da elde edildi . Her iki grup da nötr kaon bozunmalarında olası CP ihlallerini tartıştı.

Lev Landau 1957'de CP-simetrisini önerdi ve genellikle madde ve antimadde arasındaki gerçek simetri olarak sadece CP olarak adlandırıldı . CP simetrisi , iki dönüşümün ürünüdür : yük konjugasyonu için C ve parite için P. Diğer bir deyişle, tüm parçacıkların kendi antiparçacıklarıyla değiş tokuş edildiği bir sürecin , orijinal sürecin ayna görüntüsüne eşdeğer olduğu varsayılmıştır ve bu nedenle birleşik CP simetrisi, zayıf etkileşimde korunacaktır.

1962'de, Dubna'daki bir grup deneyci, Okun'un ısrarı üzerine, CP'yi ihlal eden kaon bozunmasını başarısız bir şekilde aradı.

deneysel durum

Dolaylı CP ihlali

1964'te James Cronin , Val Fitch ve çalışma arkadaşları , CP-simetrisinin kırılabileceğine dair kaon bozunmasından net kanıtlar sağladılar . Bu çalışma onlara 1980 Nobel Ödülü'nü kazandırdı. Bu keşif, zayıf etkileşimlerin yalnızca parçacıklar ve antiparçacıklar ve P veya parite arasındaki yük konjugasyon simetrisi C'yi değil, aynı zamanda bunların kombinasyonlarını da ihlal ettiğini gösterdi . Keşif, parçacık fiziğini şok etti ve bugün hala parçacık fiziğinin ve kozmolojinin merkezinde yer alan sorulara kapı açtı. Tam bir CP-simetrisinin olmaması, aynı zamanda bir simetriye çok yakın olması gerçeği, büyük bir bulmacayı ortaya çıkardı.

1964'te keşfedilen CP ihlali türü, nötr kaonların kendi antiparçacıklarına (her kuarkın diğerinin antikuarkı ile yer değiştirdiği) dönüşebilmeleri ve bunun tersi ile bağlantılıydı, ancak böyle bir dönüşüm her ikisinde de tam olarak aynı olasılıkla gerçekleşmez. talimatlar; buna dolaylı CP ihlali denir .

Doğrudan CP ihlali

Kaon salınım kutusu diyagramı
Yukarıdaki iki kutu diyagramı , genliğe önde gelen katkıları sağlayan Feynman diyagramlarıdır .
K0
-
K0
salınım

Birçok araştırmaya rağmen, 1990'lara kadar, CERN'deki NA31 deneyinin , aynı nötr kaonların bozunma sürecinde CP ihlali için kanıt önerdiği ( doğrudan CP ihlali) CP ihlalinin başka bir tezahürü keşfedilmedi . Gözlem biraz tartışmalı olduğunu ve bunun için nihai kanıtı olarak KTeV deneyden 1999 yılında geldi Fermilab'dan ve NA48 deney de CERN'e .

2001'den başlayarak , Stanford Lineer Accelerator Center'daki ( SLAC ) BaBar deneyini ve Japonya'daki High Energy Accelerator Research Organisation ( KEK ) Belle Deneyini içeren yeni nesil deneyler, farklı bir sistemde doğrudan CP ihlalini gözlemledi. B mezonlarının çürümelerinde . B mezon bozunmalarında çok sayıda CP ihlal süreci keşfedilmiştir. Bu " B-fabrika " deneylerinden önce , tüm CP ihlallerinin kaon fiziğiyle sınırlı olması mantıklı bir olasılıktı. Ancak bu CP ihlali neden sorusunu gündeme değildir bu uzamamış tarafından tahmin olmamasının sebebini, ayrıca güçlü kuvvete uzatmak ve Standart Modeli "normal" fenomenler için modelin doğruluk rağmen.

2011 yılında, nötr bozunur CP ihlali ipucu D mezonların tarafından rapor edilmiştir LHCb de deney CERN 0.6 fb kullanarak -1 işlem 1 veri. Ancak, tam 3.0 fb −1 Çalışma 1 örneğini kullanan aynı ölçüm , CP simetrisi ile tutarlıydı.

2013 yılında LHCb, garip B mezon bozunmalarında CP ihlalinin keşfedildiğini duyurdu .

Mart 2019'da LHCb , sıfırdan 5,3 standart sapma sapma ile büyülenmiş bozunmalarda CP ihlali tespit edildiğini duyurdu .

2020'de T2K İşbirliği , ilk kez leptonlarda bazı CP ihlali belirtileri bildirdi. Bu deneyde, müon nötrino ışınları (
ν
μ
) ve müon antineutrinos (
ν
μ
) dönüşümlü olarak bir hızlandırıcı tarafından üretildi . Dedektöre ulaştıklarında, önemli ölçüde daha yüksek oranda elektron nötrinoları (
ν
e
) tarafından tespit edildi.
ν
μ
kirişler, elektron antinötrinolarından (
ν
e
)
ν
μ
kirişler. Sonuçlar, kuarklarda görülene göre CP ihlalinin boyutunu belirlemek için henüz yeterince kesin değildi. Ek olarak, benzer başka bir deney olan NOvA , nötrino salınımlarında CP ihlaline dair hiçbir kanıt görmez ve T2K ile hafif bir gerilim içindedir.

Standart Modelde CP ihlali

"Doğrudan" CP ihlali izin verilir standart model , karmaşık bir faz görünürse Ckm matris tarif kuark karıştırma veya PMNS matrisi tarif nötrinonun karıştırma. Karmaşık fazın ortaya çıkması için gerekli bir koşul, en az üç kuark neslinin varlığıdır. Daha az nesil mevcutsa, karmaşık faz parametresi , kuark alanlarının yeniden tanımlarına emilebilir . Kaybolması CP ihlali olmadığını gösteren ve çoğu CP ihlal eden genliklerde meydana gelen popüler bir yeniden fazlama değişmezi Jarlskog değişmezidir ,

Böyle karmaşık bir aşamanın CP ihlaline neden olmasının nedeni hemen açık değildir, ancak aşağıdaki gibi görülebilir. Verilen herhangi bir parçacığı (veya parçacık kümesini) ve , ve onların karşıt parçacıkları ve . Şimdi süreçleri ve karşılık gelen antiparçacık sürecini düşünün ve bunların genliklerini ve sırasıyla belirtin . CP ihlalinden önce, bu terimler aynı karmaşık sayı olmalıdır. Büyüklüğü ve fazı yazarak ayırabiliriz . (Örneğin) CKM matrisinden bir faz terimi girilmişse, bunu belirtin . Not konjuge bir matris içeren , bu nedenle bir faz terimi alır .

Şimdi formül şöyle olur:

Fiziksel olarak ölçülebilir reaksiyon hızları ile orantılıdır , bu nedenle şimdiye kadar hiçbir şey farklı değildir. Bununla birlikte, iki farklı yol olduğunu göz önünde bulundurun : ve veya eşdeğer olarak, birbiriyle ilgisiz iki ara durum: ve . Şimdi elimizde:

Bazı başka hesaplamalar şunları verir:

Böylece karmaşık bir fazın parçacıklar ve antiparçacıklar için farklı hızlarda ilerleyen süreçlere yol açtığını ve CP'nin ihlal edildiğini görüyoruz.

Teorik açıdan, CKM matrisi V CKM = U u olarak tanımlanır . sen
gün
, Burada U U ve U d fermiyon kütle matrisi kösegenlestirin yekpare dönüşüm matrisleridir M u ve E d , sırasıyla.

Bu nedenle, karmaşık bir CKM matrisi elde etmek için iki gerekli koşul vardır:

  1. U u ve U d'den en az biri karmaşıktır veya CKM matrisi tamamen gerçek olacaktır.
  2. Her ikisi de karmaşıksa, U u ve U d aynı olmamalıdır, yani U u ≠ U d , veya CKM matrisi de tamamen gerçek olan bir birim matris olacaktır.

Güçlü CP sorunu

Fizikte çözülmemiş problem :

Güçlü nükleer etkileşim kuvveti neden CP değişmez?

Kuantum renk dinamiğinde CP simetrisinin deneysel olarak bilinen bir ihlali yoktur . Özel olarak QCD'de korunmasının bilinen bir nedeni olmadığından, bu, güçlü CP sorunu olarak bilinen bir "ince ayar" sorunudur .

QCD, CP simetrisini elektrozayıf teori kadar kolay ihlal etmez ; Ayar alanlarının fermiyonik alanlardan oluşturulan kiral akımlarla birleştiği elektrozayıf teorinin aksine, gluonlar vektör akımlarıyla birleşir. Deneyler, QCD sektöründe herhangi bir CP ihlali göstermez. Örneğin, güçlü bir şekilde etkileşen sektördeki genel bir CP ihlali , nötronun elektrik dipol momentini yaratacaktır, bu 10 −18 e ·m ile karşılaştırılabilirken , deneysel üst sınır kabaca bu boyutun trilyonda biridir.  

Bu bir problem çünkü sonuçta QCD Lagrange'da CP simetrisini kırabilecek doğal terimler var .

θ açısının ve kuark kütlesinin θ′ kiral fazının sıfır olmayan bir seçimi için, CP simetrisinin ihlal edilmesi beklenir. Genellikle kiral kuark kütle fazının toplam etkin açıya bir katkıya dönüştürülebileceği varsayılır , ancak bu açının neden birinci dereceden olmak yerine son derece küçük olduğu açıklanmamıştır; θ açısının sıfıra çok yakın olması gereken özel değeri (bu durumda) fizikteki bir ince ayar problemine bir örnektir ve genellikle Standart Model'in ötesinde fizik tarafından çözülür .

Güçlü CP sorununu çözmek için önerilen birkaç çözüm vardır. En iyi bilineni, eksen adı verilen yeni skaler parçacıkları içeren Peccei-Quinn teorisidir . Axion gerektirmeyen daha yeni, daha radikal bir yaklaşım, ilk olarak 1998'de Bars, Deliduman ve Andreev tarafından önerilen iki zaman boyutunu içeren bir teoridir .

Madde-antimadde dengesizliği

Fizikte çözülmemiş problem :

Evrende neden antimaddeden çok daha fazla madde var?

Karanlık olmayan madde evreni, beklendiği gibi madde ve antimaddenin eşit parçalarından oluşmak yerine esas olarak maddeden yapılmıştır . İlk denge koşulundan madde ve antimaddede bir dengesizlik yaratmak için, Sakharov koşullarının sağlanması gerektiği gösterilebilir, bunlardan biri Big Bang'den sonraki ilk saniyelerin aşırı koşulları sırasında CP ihlalinin varlığıdır . CP ihlali içermeyen açıklamalar daha az inandırıcıdır çünkü madde-antimadde dengesizliğinin başlangıçta mevcut olduğu varsayımına ya da kabul edilebilir diğer egzotik varsayımlara dayanırlar.

CP simetrisi korunsaydı, Büyük Patlama eşit miktarda madde ve antimadde üretmiş olmalıydı; gibi both- toplam iptal orada olmalıydım protonlar ile iptal etmeliydim Antiprotonlar , elektronlar ile pozitronların , nötronlar ile antineutrons , vb. Bu, evrende maddesiz bir radyasyon deniziyle sonuçlanacaktı. Durum böyle olmadığına göre, Büyük Patlama'dan sonra fizik yasaları madde ve antimadde için farklı davranmış, yani CP-simetrisini ihlal etmiş olmalıdır.

Standart Model, en az üç CP ihlali kaynağı içerir. Bunlardan ilki , kuark sektöründeki Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrisini içeren deneysel olarak gözlemlendi ve madde-antimadde asimetrisini açıklamak için gereken CP ihlalinin sadece küçük bir kısmını açıklayabilir. Güçlü etkileşim aynı zamanda prensipte CP'yi de ihlal etmelidir, ancak deneylerde nötronun elektrik dipol momentini gözlemlemedeki başarısızlık , güçlü sektördeki herhangi bir CP ihlalinin de erken evrendeki gerekli CP ihlalini hesaba katmak için çok küçük olduğunu gösterir. CP ihlalinin üçüncü kaynağı , lepton sektöründeki Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata matrisidir . Mevcut uzun temel nötrino salınım deneyleri, T2K ve NOνA , CP ihlalinin Dirac fazını ihlal eden olası değerlerinin küçük bir kısmı üzerinde CP ihlali kanıtı bulabilirken, önerilen yeni nesil deneyler, Hyper-Kamiokande ve DUNE , Dirac fazının olası değerlerinin nispeten büyük bir bölümünde CP ihlalini kesin olarak gözlemlemek için yeterince hassas olun. Gelecekte, bir nötrino fabrikası , Dirac fazını ihlal eden CP'nin neredeyse tüm olası değerlerine duyarlı olabilir. Nötrinolar Majorana fermiyonlarıysa , PMNS matrisi , Majorana fazlarını ihlal eden iki ek CP'ye sahip olabilir ve bu da Standart Model içinde dördüncü bir CP ihlali kaynağına yol açar. Majorana nötrinoları için deneysel kanıt, nötrinosuz çift beta bozunmasının gözlemlenmesi olacaktır . En iyi sınırlar GERDA deneyinden gelir. Lepton sektöründeki CP ihlali, leptogenez adı verilen bir süreçle madde-antimadde asimetrisi oluşturur . Bu, lepton sektöründe CP ihlali deneysel olarak doğrulandığında, evrenin madde-antimadde asimetrisi için Standart Model'de tercih edilen açıklama haline gelebilir.

Eğer lepton sektöründeki CP ihlali deneysel olarak madde-antimadde asimetrisini açıklamak için çok küçük olarak belirlenirse, ek CP ihlali kaynaklarını açıklamak için Standart Modelin ötesinde bazı yeni fizikler gerekli olacaktır. Standart Modele yeni parçacıklar ve/veya etkileşimler eklemek, CP doğanın bir simetrisi olmadığı için genellikle yeni CP ihlali kaynakları ortaya çıkarır.

Sakharov , Big Bang'den önce uzay-zamanı uzatarak, T-simetrisini kullanarak CP-simetrisini geri getirmenin bir yolunu önerdi . O , "ilk tekillik" olarak adlandırdığı şeyin her iki tarafındaki olayların tam CPT yansımalarını tanımladı . Bu nedenle , t < 0'da zıt bir zaman okuna sahip fenomenler, zıt bir CP ihlaline uğrayacaktır, bu nedenle CP simetrisi bir bütün olarak korunacaktır. Ortokron (veya pozitif) sektörde Big Bang'den sonra maddenin antimaddeye göre anormal fazlalığı, Big Bang'den (antikron veya negatif sektör) önce antimadde fazlalığı haline gelir, çünkü hem yük konjugasyonu, parite hem de zaman oku CPT nedeniyle tersine çevrilir. ilk tekillik üzerinde meydana gelen tüm fenomenlerin yansımaları:

Nötr spinsiz maksimonların (veya fotonların) t < 0'da, fazla antikuark içeren büzülen maddeden üretildiğini , yoğunluk sonsuz olduğunda t = 0 anında "birbirinden" geçtiğini ve t > 0 olduğunda , evrenin toplam CPT simetrisini gerçekleştiren fazla kuark . Tüm olgular t <0 fenomenlerin CPT yansımaları olması bu hipotezi kabul edilir t 0>.

—  Andrei Sakharov, Toplu Bilimsel Çalışmalarda (1982).

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar