粒子物理学

从时间感到违反CP对称性

对于亚原子粒子而言,过去和未来无关紧要。关于时间方向的这种轻微不对称与粒子和反粒子之间的另一个不对称有关,这是积极研究的主题。

玛丽·海伦·舒恩 对于科学N°397
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宇宙几乎不包含任何反物质。物质,反物质和时间的流逝之间有什么关系?至少在我们的规模和宇宙规模上,很难看到它。但是,物理学家已经在微观尺度上发现了一个。

正如物理学家在加速器中所看到的那样,标准模型旨在解决基本粒子相互作用的问题。它的基本原则之一是尊重对称性。因此,我们将数学转换命名为从对粒子的一种描述到另一种描述,这些方程使方程式保持不变。

当测量证实观察到这种不变性时,物理学家说对称性得以维持。否则,他们说她被强奸了。然而,发现违反了对称性,该对称性使得可能从涉及颗粒的过程过渡到涉及其反颗粒的类似过程。让我们解释一下。

物理定律在某些转换下必须保持不变的想法是古老的。它是在开始时 xxe 世纪以来,已采取主要步骤来理解对称在物理理论构建中的至关重要性。似乎物理系统的不同描述(例如一组粒子)之间的转换形成了称为组的数学集。

谨慎的不对称

例如,通过平移参考系(我们移动坐标系),将空间中的平移组与物理方程的不变性相关联。这种不变性导致所考虑系统的动量得以保持。同样,物理定律相对于时间转换组的不变性(由时间尺度的变化组成)导致所考虑系统的能量守恒。

某些变换组可以视为离散组,因为它们包含有限数量的元素:然后讲离散对称性。后者在粒子物理学中特别有用,因为它们导致保留称为量子数的特性(例如,电荷或自旋,粒子的固有角动量)。与离散对称性相关的量子数只能取某些值,整数或分数。我们感兴趣的离散对称是对称 c, pt,因此指出要撤回相关交易。

-第一次手术 是粒子转化为反粒子的过程,也称为电荷共轭:如果对称 c 考虑到,与使用粒子进行的实验结果有关的(概率性)预测与针对相同实验的预测(与所进行的所有粒子都被其反粒子替代(电子被正电子替代,中子被反中子等)。

-第二项操作 p, 是奇偶校验,由反转空间坐标的三个轴组成。它等效于伴随旋转的镜像对称。如果对称 p 尊重,反转三个轴时实验的结果应该相同

空间。这意味着对于基本粒子,从右向左移动的可能性应该与从左向右移动的可能性相同。

-第三步 t, 是时间的逆转(操作包括改变 t 在-t):如果对称 t 注意,时间轴反转时,实验结果相同。换句话说,过程的可能性 a b 等于过程的 b a ;这是违反直觉的属性,与我们在宏观尺度上观察到的不符 (请参阅Roger Balian的文章).

这个组合 cpt 这三个转变中的一个在物理学中起着根本性的作用。根据爱因斯坦的狭义相对论,物理学定律在任何地方,任何时候都必须是相同的,并且对于所有观察者彼此相对不加速地运动。相对论被称为洛伦兹不变性。然而,在1954年,物理学家沃尔夫冈·保利(Wolfgang Pauli)证明了一个现在著名的定理,该定理在洛伦兹不变性和对称性之间建立了联系。 cpt。通过简化,任何洛伦兹不变理论都尊重对称性 cpt, 相反,任何违反对称性的行为 cpt 会违反洛伦兹不变性。迄今为止,还没有实验表明违反对称性 cpt 也不是洛伦兹不变性.

定理的后果 cpt 是多重的和基本的:反物质的存在,粒子和反粒子的质量相等和寿命等。特别是在这里引起我们关注的一个事实是,如果对称组合 cp -对称 cp -根据定理被违反 cpt对称 t 也是。

对称性 cp

对称性 cp 被尊重吗?当物理学家数学上引入对称性时 c, pt 在1930年代的科学爆炸中,他们相信所有人都应受到尊重。这些确定性在不到20年的时间就被破坏了,当时弱的相互作用开始显示出其令人惊讶的特性。

请记住,三个基本力控制基本粒子的相互作用。首先是电磁力,是电和磁的起源。第二个是强相互作用,解释了由中子和质子组成的原子核的凝聚力。第三个弱相互作用是许多涉及称为轻子(电子是其中之一)的基本粒子的过程的起源,其中一个主要的例子是β(b)放射性。顾名思义,弱互动的强度是三者中最弱的。

在1956年,物理学家李宗大和杨振宁注意到可用的实验数据并未提供证明对称性的证据。 cp 被保留在涉及弱互动的过程中。可能不是吗?然后,他们强调了这一点,并提出了一系列实验来测试对称性的守恒性。 p。 1957年初,物理学家吴建雄和她的同事们证明了对称性 p 在钴60的衰变b中被违反:

60有限公司 60镍+ e + n – e。

电子 e 与反中微子n – e的发射方向相反。如果我们应用奇偶转换 p, 电子的发射方向 e- 和中微子n – e交换了,但是这些粒子的自旋保持不变(p 保持自旋,但反转粒子的传播方向)。如果对称 p 满足,因此电子应在两个相反的方向上以相等的量发射。然而,所谓的“吴女士”团队却相反地观察到,几乎所有电子都以与钴自旋相反的方向发射,因此违反了对称性 p 最大。

理查德·加文(Richard Garwin),莱昂·莱德曼(Leon Lederman)和马塞尔·温里奇(Marcel Weinrich)在带电的介子,夸克-反夸克组合的衰变链上进行的实验证实了这种对称性违规。 (请参阅对页上的方框)。该实验涉及违反对称性 p, 而且是对称的 c.

因此,物理学家不得不承认对称性 cp 被侵犯。但是他们坚持认为,在组合的影响下,粒子世界是对称的 cp (伴随同等转换的费用​​共轭)。

他们错了。违反对称 cp 于1964年由James Cronin,Val Fitch,James Christenson和RenéTurlay首次在kaon系统中发现,该系统是除介子以外的其他夸克-反夸克组合。即使最小(仅为0.2%),测量的准确性也可以肯定。震惊了物理学家!并根据定理 cpt,存在这种违反对称性的情况 cp 涉及违反对称性 t 通过时间的逆转。

违反对称性T

因此,虽然物理学家认为在微观尺度上该过程是可逆的是很自然的,但必须承认,并非总是如此:观察到“电影”的观众如果向后观看相同的胶片,则在这种基本粒子尺度上的演化将发现非常小的差异...

直接实验证实了这种违反对称性的行为 t 只能在1998年通过合作收购 ple骨塞恩,再次通过kaons。该测量包括计算钾离子和反钾离子分别衰减为电子,介子和反中微子或正电子,介子和中微子的衰减。它揭示了这两个衰变的概率之间的不对称性。团队 ple骨 研究表明,将反钾离子转换为钾离子比将钾离子转换为反离子的频率更高-时间逆转的对称过程。这是对侵权行为的直接体现。 t。这个例子说明了对称 t 紧密联系在一起,物质和反物质之间的行为差​​异与微观时间的箭头联系在一起...

对称违规从何而来 cp ?标准模型结构Cabibbo-Kobayashi-Maskawa矩阵将它们与三个夸克族联系在一起。让我们更详细地讲。

现在我们知道夸克有六种不同的性质-物理学家说的是不同的味道-分为三对,称为家族。第一个家庭由夸克组成 u (或“向上”)和 d (或“向下”),而第二个包含夸克 c (用于“魅力”)和 s (“奇怪”或“奇怪”)和第三个夸克 t (“顶部”)和 b (“美丽”); 你,c, t 具有2/3电荷(单位为质子电荷),并且 d,s,b 带电-1/3 (见图2).

在1963年,物理学家Nicola Cabibbo试图解释某些衰变,提出了这样一个想法,即夸克的质子量子态(夸克的形成,传播,衰变的状态)并不相同。比量子味状态(参与弱相互作用的夸克的状态)要强。因此,应将夸克的质量状态视为调味剂的混合物。

因此,弱互动将不同家族的夸克联系在一起。它通过三个中介粒子中的两个来完成此任务:带电的玻色子W+ W。 W玻色子正是这种弱相互作用的传递± 它是中性介子(例如中性钾)(由夸克组成)的混合物的起源 d 和一个夸克 s-)或介子 b 中性(由夸克形成 d 和一个夸克 b-)。我们谈论振荡 k0 k0bb0 b0.

更笼统地说,我们以矩阵的形式(3 3 3个数字的数组)以数学方式表示多种风味的混合物 先验 复杂。已记录 vkm,其功能是将质量量子态空间中夸克的数学表示移动到味觉量子态空间中。 vkm 必须满足称为统一性的条件,这反映了以下事实:我们只限于标准模型已知的三个族中的夸克之间的过渡。这限制了其独立参数的数量,因此矩阵的18个实参 vkm 仅减少到四个未知参数。

矩阵 vkm 为了纪念N. Cabibbo和物理学家小林诚(Makoto Kobayashi)和正川俊秀(Toshihide Maskawa),他在1973年提出了一个解释对称性违背的解释 cp 在弱相互作用理论的框架内。他们表明违反 cp 等于夸克风味混合矩阵中虚部非零的复数系数的存在。

1973年,只知道了两个夸克家族。但是,我们可以证明,如果只有两个夸克族,则相应的二维混合矩阵仅包含实元素,这将阻止该理论描述违反 cp.

为了解决这一难题,小林先生和T. Maskawa提出了夸克第三家族的存在,并在几年后通过实验得到了证实。方案 km 因此,它已成为粒子物理学标准模型的重要组成部分。违反对称 cp 出现在三个家庭中的六种夸克味道提供了一种可能性。

如果我们考虑夸克的过渡 b 夸克 u 通过 弱相互作用,矩阵第三列的第一元素 vkm,注意到 vub如果没有考虑粒子的情况,我们看一下反粒子,即从反夸克的过渡 b-倒夸克 u 涉及复共轭元素 v*ub。作为元素 v*ub 与...不同 vub (因为它是一个复数),所以变换 b-→ u 将具有不同的特征。

事情实际上要复杂一些,只有当过程涉及过渡时,这种差异才会显示在结果中 bu 可以两种不同的方式发生 (请参阅第69页的方框)。这就是为什么我们可以例如研究介子的衰变 b (bu-)→ k + p0 和介子 b+ (bu)→ k+ + p0。这些衰减的概率的比较使确定矩阵的第三列成为可能 vkm 并评估标准模型与实验测量结果之间的一致性。

在过去的十年中,两个国际团队对许多与上述测试类似的测试进行了详尽的测试。经验 漂亮 是在筑波高能加速器(k2k),在日本,而 巴巴尔 是在美国的斯坦福线性加速器( 斯拉克)。为了衡量违反对称性 cp大约二十亿介子 b 产生,然后非常罕见的衰变(对于某些介子 b 这种分解的可能性不到百万分之一)。

单个参数描述违规

违反对称 cp 在介子系统中 b 因此,已经清楚地证明了这一点,在某些情况下,违规率有时超过百分之十。此外,所有结果表明,矩阵四个参数的调整 vkm 足以令人满意地说明实验结果。换句话说,标准模型再一次取得了胜利。

因此,在标准模型下,似乎只有一个参数-矩阵元素的虚部 vkm -报告违反情况 cp。但是物理学家想更加确定。这就是为什么当前粒子物理学研究的主轴之一是对涉及不同类型夸克的许多模式进行精确研究,以验证该结果的有效性。

由实验开始 漂亮巴巴尔,这些研究将通过探索其他介子的衰变而更加精确地继续 b 作为实验的一部分 hb,从2009年底开始 h, 质子-质子对撞机在隧道中 塞恩。这个实验能够从每年产生的大批中选择某些B介子衰变(大约1万亿个B介子)。在2010年夏季,大约有1.25亿个介子 b 已经产生,它们的衰变正在分析中。这些测量所期望的极高精度可能会揭示出前所未有的物理现象的迹象,而标准模型并未对此进行描述,例如在违反标准的领域中。 cp.

上面涉及介子扇区,也就是说,由标准模型提供的夸克-反夸克组件。关于重子部分,也就是该模型还预测的三个夸克的集合呢?为什么质子和中子(重子)构成宇宙表观的大部分,而反质子和反中子(重子)却极为稀少?这是重生的谜团。既没有结果 漂亮, 也不是 巴巴尔,到目前为止,我们对对称性违反的起因也一无所知 cp 不足以解释它。

为了更好地了解这一问题的严重程度,让我们回顾一下反物质发现历史的一些基本要素。它的“诞生”纯粹是理论上的,发生在1928年。寻求发展与该理论兼容的量子形式主义

狭义相对论用来描述电子,物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)得到了一个方程,其分辨率揭示了两倍于预期的解:除了与电子对应的解之外,还有与能量相关的另一种解负。狄拉克(Dirac)然后假设该负能量溶液对应于带相反电荷的粒子,这是电子的一种镜像。今天,我们将其称为正电子,这是卡尔·安德森(Carl Anderson)于1932年在被宇宙射线穿过的雾室中揭示的电子的反粒子。

由于存在粒子促进剂,因此宇宙射线中存在的反物质非常少(数量等于物质)。当接触时,物质和反物质通过释放能量(光子)而相互an灭。反之亦然,利用能量,我们可以产生相等部分的物质和反物质粒子。

似乎在大爆炸期间,宇宙仅由能量组成,由此产生了与反物质一样多的物质。但是一种未知的机制对物质的危害却微不足道,这不利于反物质,在已知的宇宙中反物质变得微不足道(宇宙射线中存在的稀有反质子,某些b衰变中产生的正电子,某些空穴所发射的正电子射流)黑色...)。

因此,反物质在宇宙范围内的数量可以忽略不计。这带来了很大的困难。比较存在的光子和物质的数量的测量结果表明,在大爆炸之后不久肯定存在非常轻微的失衡:对于10,000,000,000个反物质粒子,我们应该已经找到10,000,000,001个粒子。反物质... 10,000,000,000粒子-反粒子对将被歼灭,微小的微小残留物最终仍然存在……而这个微小的残留物就是我们!

宇宙不对称仍然无法解释

这种不平衡的根源尚不清楚。但是,1967年,苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)提出了物质和反物质之间不对称从对称情况出现到宇宙尺度的三个必要条件。

第一个条件是物质和反物质的相互作用是不对称的,换句话说,某些相互作用违反了对称性 ccp(所以 t).

第二个条件是存在不保存重子数的过程,也就是说,这些过程产生的重子数和反重子数不同。

第三个条件是热平衡破裂。确实,在热平衡下,产生重子的反应速率与产生反重子的过程速率相等,并且没有不对称性。

如我们所见,粒子物理学的标准模型包含了对 cp,但后者太小,不足以解释宇宙中物质与反物质之间的不对称性。对此,违规率 cp 在B介子的物理学中测得的量(有时约为百分之十)不能直接与物质和诱发的反物质之间的轻微失衡进行比较:如果我们假设违反了 cp 只能在标准模型的框架内进行解释,计算表明,所获得的不对称性比大爆炸时物质与反物质之间的轻微不平衡要小很多数量级...

在可供选择的途径中,我们提到了标准模型的各种扩展,例如在轻子和反两体子之间创建了初始不对称性,随后将其转换为重子和反重子之间的不对称性...

从上半年反物质的发现转向 xxe 20世纪初,B介子中物质和反物质之间行为差异的超精确测量 xie 世纪以来,物理学家已经积累了70多年的理论和实验进展,在此期间,他们常常感到惊讶后放弃了自己的先入为主的思想。在此任务的当前阶段,仍然存在一个中心谜团:粒子物理学的标准模型是否可以解决对称性违规问题 cp 在介子领域观察到,他无法解释为什么我们的宇宙似乎缺乏或几乎没有反物质。

因此,一整套物理现实逃脱了我们,并陷入了我们所谓的“标准模型之外的物理”之内。这种“新物理学”是积极研究的主题,尤其是使用大的质子-质子对撞机 塞恩h.

 

无论如何,由于定理,我们已经知道了 cpt 违反对称性的直接后果 cp 是的 t,也可以通过实验观察到。在粒子物理学中如此微弱而在宇宙中如此广泛的物质-反物质不对称性似乎与时间箭头的问题紧密相关。

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