CP ihlali

Altında CP ihlali ( C için İngilizce şarj , şarj 'ya da yük konjügasyonu , yük konjugasyon '; P için parite , parite ') ihlali olarak anlaşılmalıdır CP-değişmezliği. İkincisi, bir sistemdeki fiziksel ilişkilerin ve yasaların, tüm parçacıkların antiparçacıkları ile değiştirilmesi ve tüm uzaysal koordinatların aynı anda yansıtılması durumunda değişmemesi gerektiğini belirtir .

Keşif ve tarih öncesi

Görünür P-değişmezliği ve eşlik ihlali

Normal günlük deneyime göre, ayna dünyasındaki fizik, orijinalinden farklı olmamalıdır. Bu, bir aynada gözlenen her işlemin normal dünyada da uygun bir deneysel düzenleme (P-invaryansı) yoluyla gerçekleştirilebilir olması gerektiği anlamına gelir.

Bununla birlikte, 1956 gibi erken bir tarihte, Tsung-Dao Lee ve Chen Ning Yang , beta bozunmasının tabi olduğu zayıf etkileşimin nokta simetrisini ihlal ettiğini öne sürdüler . Aynı yıl, bu parite ihlali olduğu teyit Chien-Shiung Wu içinde Wu deney . Zayıf bir etkileşim, sol yana ellilik ( yani, dönme yönünün dönüş arasında elementel parçacıklarının bir sol gibi uçuş yönüne göre vidanın ) üzerinden sağ ellilik. Sadece solak parçacıklar ve sağ elini kullanan karşıt parçacıklar buna katılır. Solak ve sağ elini kullanan parçacıklar , elektromanyetik ve güçlü etkileşime eşit güçte katılır .

Parite ihlali, yalnızca zayıf bir şekilde etkileşime giren ve yalnızca sol-elli nötrinolar ve sağ-elli anti-nötrinolar olarak ortaya çıkabilen nötrinolarla iyi bir şekilde gösterilebilir. Parite dönüşümü ("nokta yansıması") altında, ancak, solak bir nötrino, sağ elini kullanan bir nötrino olur.

Görünür C değişmezliği ve C ihlali

Fizikçiler 1930'lardan beri her temel parçacık için bir antiparçacık olduğunu biliyorlardı. Başlangıçta teori ve gözlemler , antiparçacıkların tüm etkileşimlerinin ve bozunmalarının normal parçacıklarla aynı şekilde gerçekleştiğini, yani bunların yük konjugasyonu altında değişmez veya kısaca C-değişmez olduğunu ileri sürdü. Elektromanyetik ve güçlü etkileşim C'yi korur. Örneğin, Coulomb yasası yük konjugasyonu altında değişmezdir. Zayıf etkileşim ise, nötrinolarla da gösterilebilen C'yi ihlal eder . Yük konjugasyonu altında, solak bir nötrino, deneysel olarak gözlemlenmeyen bir solak antinötrino olur.

Görünür CP değişmezliği

Yansımaya ek olarak, parçacıkları karşıparçacıklarla (C + P) yer değiştirirse, yukarıdaki durumla artık herhangi bir çelişki yoktur, çünkü sol-elli bir nötrino CP dönüşümü altında sağ-elli bir antinötrino olur ( Lew Landau 1957).

CP ihlalinin keşfi

1964'te Amerikalı fizikçiler James Christenson , James Cronin , Val Fitch ve René Turlay ( Cronin ve Fitch için Nobel Fizik Ödülü 1980), ağır nötr K mezonların ( kaonlar ) bozunmasında küçük bir düzensizlik keşfettiler. CP simetrisi kapalı. Ait bozunumu soruşturması sırasında bir deneyde mezonların (L uzun ömürlü açılımı) arasında Alternatif Gradyan Sinkrotronu Brookhaven Ulusal Laboratuvarı , CP-ihlal çürüklere iki ücret içine mezon mezonların ( cular gözlenen).

Nötr kaonlar sisteminde karıştırılarak, i. Yani, a ( ) kendi karşıt parçacığına ( ) dönüşerek farklı kütlelere ve ömürlere sahip kütle özdurumları oluşturabilir. Kütle farkı son derece küçüktür, hizmet ömrü farkı ise çok büyüktür. Ömürleri yaklaşık 600 kat farklı olan kısa ömürlü ve uzun ömürlü arasında bir ayrım yapılır .

( ) aynı uç durumlara bozunabilir, burada 2 pionlu ve +1 CP özdeğeri ve 3 pionlu ve CP özdeğeri -1 olan uç durumlar özellikle önemlidir: ve .

Daha büyük faz alanı nedeniyle, 2 pion'a bozunma, önemli ölçüde daha büyük bir kısmi bozunma genişliğine sahiptir. CP korunursa, nötr kaonlar sistemindeki her iki kütle özdurumu da CP özdurumu olmalıdır. Bu nedenle, kısa ömürlü durum 2-pion son durumuna ve uzun ömürlü durum 3-pion son durumuna dönüşmek zorunda kalacaktır. Tipte veya sadece CP simetrisi ihlal edildiğinde meydana gelebilir. Deneyde, nötr kaon önce oluşturan, oluşturulacak süperpozisyon arasında ve Mezonlar. Ömürdeki büyük farklılık nedeniyle, -bileşeni bir süre sonra kaybolur ve yalnızca -Mezonlar kalır . Bunu sağlamak için, kaonlar dedektörden belirli bir mesafede üretildi, böylece gerekli uçuş süresi nedeniyle sadece dedektörün içine girip orada parçalanabildiler. Çürümenin gözlemlenmesi , CP ihlalinin ilk kanıtıydı.

Antiparçacıkları ile karışamayan yüklü kaonlar da 2 ve 3 pionlara bozunabilir. Naif bir şekilde yüklü kaonların ve benzer yaşam sürelerine sahip olmaları beklenebilir . Ancak yüklü kaonlar çok daha dayanıklıdır . Açıkçası, için kısmi bozulma genişliği for'dan birçok kez daha büyüktür . 2-pion dalga fonksiyonu iki cular alışverişi göre simetrik olmak zorunda olduğundan, yüklü kaon arasında bozunur 2-pion uç durum yalnızca her izospin için ise, izospin uç durumları bozunumu ve olan olası. Kaon bozunmalarındaki zayıf etkileşim, izospin ile son durumu açıkça desteklediğinden, nötr kaonlarda 2-pion bozunumu çok baskındır. Bununla birlikte, nihai durumlara -decays içinde bir izospin ile de ulaşılabilmesi , doğrudan CP ihlali, yani. H. Çürüme üzerine CP ihlali.

Christenson, Cronin, Fitch ve Turlay tarafından gözlemlenen CP ihlali, esas olarak karışımdaki bir CP ihlalinden kaynaklanmıştır. Eğer kişi değildir içine geçiş bir tek aynı gücü ile yapar içine , diğer bir deyişle H. , o zaman kütle öz-durumları artık eşit parçalarda mevcut değildir ve bunun bir sonucu olarak artık CP öz-durumları olamazlar. Ancak, doğrudan CP ihlali da yol açabilir eğer 2 cular içine dağılmakta ve 2 cular içine dağılmakta farklı güçleri ile. Açıkçası, yalnızca azalma hızının ölçülmesi , doğrudan CP ihlalinin katkısı hakkında bir açıklama yapılmasına izin vermez . Bu sistemdeki doğrudan CP ihlalinin gözlemlenmesi, bu nedenle, bozulmalar için kısmi bozulma genişliklerinin olduğu karmaşık ve uzun bir ölçüm programı gerektiriyordu.

hassasiyetle ölçüldü.

CPT değişmezliğinin korunması

("ikili kombine") CP ihlali, Wolfgang Pauli ve Lueders Gerhart'ın tüm olayların temel bir teoremi için kuantum alan teorisinin aksine , ("üçlü kombinasyon") CPT simetrisi her koşulda değişmez (T = zamanın tersine çevrilmesi, yani Hareket yönünün tersine çevrilmesi, yörünge ve dönüş açısal momentumu ve eşlenik kompleksine geçiş, ). Bu CPT değişmezliği , CP ihlali ile birlikte, zaman simetrisinin ihlali anlamına gelir ( T ihlali ). Bu deneysel olarak doğrulanabilir.

Standart modele bağlantı

Olarak standart model parçacık fiziği, CP ihlali neden kuark sektöründe kuark kütlelerinin üretimi ile bağlantılıdır. Kuarklar kütlelerini Higgs alanına bağlanarak alırlar , burada fizikçiler Nicola Cabibbo , Makoto Kobayashi ve Toshihide Masukawa'nın ( CKM matrisi ) adını taşıyan bir kütle karıştırma matrisi mutlaka oluşur . 1972'de Kobayashi ve Maskawa, doğada üç veya daha fazla kuark ailesi olduğunda bu matrisin karmaşık olduğunu gösterdi. Üç ailede, teoriye göre, üniter CKM matrisinde tam olarak bir karmaşık faz vardır . Standart modelde bu aşama, CP işlemi sırasında işaretini değiştirdiği için CP ihlalinden sorumludur. Kısmi bir bozunma genişliği veya etkin bir enine kesit, yalnızca alttaki genlik miktarının karesini içerdiğinden, parçacık reaksiyonlarında CP ihlalinin meydana gelebilmesi için belirli gereksinimlerin karşılanması gerekir. Böylece, aynı son durumuna aynı başlangıç durumundan yol en az iki Rakip yöntemler olmalıdır parazit meydana gelir. Üç tür CP ihlali bilinmektedir:

Dolaylı CP ihlali olarak da bilinen parçacık-antiparçacık karışımındaki CP ihlali
Nötr kaonlar , D mezonları ve B mezonları karşıt parçacıkları ile karışabilir; yani birbirleriyle birleşebilirler ("salınım"), örn. B. ve ( salınımlar). Karışımdaki CP ihlali, örn. B. oranı farklıdır . 1964 yılında tarafsız kaon sisteminde gözlemlenen CP ihlali, özünde buna kadar götürülebilir.
Azalan CP ihlali, doğrudan CP ihlali olarak da bilinir
Doğrudan CP ihlali, bir parçacığın nihai bir duruma bozunması için kısmi bozunma genişliği , onun karşıt parçacığınınkinden farklı olduğunda meydana gelir, yani. H. . Kaon sisteminde Doğrudan CP ihlali oldu ilk gözlenen deneyler ile 1999 yılında KTEV de Fermilab'dan ve NA48 (halefi NA31 at) CERN'e . CERN'de 1988'den (1993'te yayınlandı) NA31 deneyinin bir ölçümünü doğruladılar, ancak üç sigma olayı olarak, kesin bir gözlem olarak kabul edilecek kadar istatistiksel olarak anlamlı değildi. B meson sisteminde, direkt CP ihlali ilk kez 2004 yılında tespit edildi BaBar deney de SLAC . Doğrudan CP ihlali, yalnızca, CP işlemi altında işaretini değiştiren farklı zayıf fazlara sahip en az iki rakip süreç (genlik) varsa, ancak aynı zamanda CP işlemi altında işaretini değiştirmeyen farklı diğer fazlar, aşınma varsa meydana gelebilir. Bu tür fazlar, CP işlemi altında değişmez olan güçlü etkileşim gibi etkileşimlerden kaynaklanır. Dolayısıyla bu bağlamda güçlü evrelerden söz edilmektedir. Doğrudan CP ihlali için ölçümlerin yorumlanması, büyük faz farklarının hesaplanmasındaki problemlerden dolayı zordur. Bununla birlikte, özellikle kaon sektöründe, 1964'te Lincoln Wolfenstein tarafından önerildiği gibi sözde süper zayıf etkileşim modellerinin hariç tutulmasını sağladığından, doğrudan CP ihlali için yoğun bir araştırma yapıldı.

Karıştırma ve bozunma arasındaki etkileşimde CP ihlali
Bu tür bir CP ihlali, bir parçacık ve onunla ilişkili antiparçacık aynı son duruma bozunduğunda ortaya çıkabilir. Bu nedenle, böyle bir parçacık, parçacık-antiparçacık karışımına tabidir, böylece nihai duruma doğrudan veya karşıparçacığa dönüşme ve onun bozunmasının dolambaçlı yolu yoluyla ulaşılabilir. Kaon sisteminde fenomen iyi bilinir; B meson sisteminde inceleme, CP ihlalinin kaynağını belirlemek için standart modelin hassas bir şekilde test edilmesini sağlar. CKM matrisinin yapısı nedeniyle, CP ihlali en çok üçüncü kuark ( alt ve üst kuark ) ile birinci nesil ( aşağı ve yukarı kuark ) kuarkları arasındaki geçişlerde belirgin olmalıdır . Hem hafif hem de ağır bir alt kuark içeren B mezonları bu nedenle teoriyi test etmek için ideal adaylardır. Bunlar yaklaşık beş katı, proton kütleye sahip ve bir olması ömrü yaklaşık olarak bir içine mezonu bozunur meson ve nötr Kaon'un . CP ihlalinin Bu tür yoluyla B mezonların ilk mümkün BaBar deney ve Belle deney izlenmesine izin vermektedir. Artık büyük bir hassasiyetle biliniyor ve Standart Modelin tahminleriyle mükemmel bir uyum içinde. Kobayashi ve Maskawa'nın tahminini doğruladıktan sonra, ikisi de 2008 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü .

CP ihlali, son derece aktif bir araştırma alanı olmaya devam ediyor, çünkü çok sayıda başka kanal, yeni fiziğin varlığına karşı büyük bir hassasiyetle Standart Model testlerine izin veriyor. Nötr mezonlar sistemindeki CP ihlaline ilişkin araştırmalar da bu tür perspektifler sunmaktadır . Hassas B'nin sisteminde CP ihlali ölçümleri ve B ler Mezonların fizik programının bir odak vardır LhcB -experiment Büyük Hadron Çarpıştırıcısı ait CERN'e . Süper- KEKB hızlandırıcı de KEK olduğu anda Japonya'da inşa halinde ve Belle deney Belle II halefi 2019 verileri alarak başlaması bekleniyor.

Prensip olarak, güçlü etkileşimde CP ihlali de mümkün olmalıdır. B. nötronun nispeten büyük bir elektrik dipol momentine yol açar . Ancak, böyle bir CP ihlaline ilişkin deneysel bir kanıt yoktur. Bu tutarsızlık aynı zamanda “güçlü CP sorunu” olarak da bilinir.

Due to gözlem nötrinonun salınımları ve ilişkili bilgi nötrinolar değildir kütlesiz da uygun bir karışım matrisi, PMNS matrisi (bazen sadece MNS matris), olmalıdır Bruno Pontecorvo , Ziro Maki , Masami Nakagawa ve Shoichi Sakata olduğu adlı. CKM matrisinde olduğu gibi, bu da bir CP ihlali kaynağı olabilir, ancak henüz net olarak gözlemlenmemiştir. Ancak T2K deneyinde, müon nötrinolarında (2017) böyle bir hasarın açık belirtileri vardı.

kozmolojik gereklilik

Andrei Sakharov , 1960'larda, CP ihlalinin, evrenin antimadde üzerinde gözlemlenen büyük egemenliğinin ( baryon asimetrisi ) ön koşullarından biri olduğunu belirtti . Big Bang hakkındaki mevcut anlayışımız, onun eşit miktarlarda parçacıklar ve karşı parçacıklar ürettiğini varsayar. Gelen baryogenesis şimdi gözlenen dengesizlik ortaya çıktı. Bununla birlikte, kesin mekanizmanın ne olduğu bir tartışma konusudur. Deneyler, CP ihlalinin kaynağını ve bunun yeterli madde üretebilecek kadar büyük olup olmadığını netleştirmelidir.

Ayrıca bakınız

Edebiyat

  • Alban Kellerbauer: 50 yıllık CP ihlali. İçinde: Zamanımızda Fizik. 45 (Temmuz 2014) 168, doi : 10.1002 / piuz.201401371 .
    Yazardan doğrudan indirme: Makale (PDF; 874 kB) .
  • J. Beringer ve diğerleri (Particle Data Group): Parçacık fiziğinin gözden geçirilmesi. İçinde: Fiziksel İnceleme. D86, 010001 (2012).
  • Michael Peskin : Yüksek enerji fiziği: Antimaddeli madde. İçinde: Doğa. Cilt 419, 2002, sayfa 24-27.
  • Marcel Kunze, Klaus R. Schubert, Bernhard Spaan: BABAR deneyi. İçinde: Fiziksel sayfalar. Cilt 55, Sayı 5, 1999, sayfa 27.
  • GC Branco, L. Lavora, JP Silva: CP İhlali. Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-850399-7 .
  • Makoto Kobayashi , Toshihide Maskawa : Renormalize Edilebilir Zayıf Etkileşim Teorisinde CP İhlali. İçinde: Teorik Fiziğin Gelişimi Cilt 49, 1973, s. 652-657.
  • AD Sakharov : CP Değişmezliği, c Asimetrisi ve Evrenin Baryon Asimetrisinin İhlali. İçinde: JETP Mektupları. Cilt 5, 1967, sayfa 24-27.
  • JH Christenson , JW Cronin , VL Fitch , R. Turlay : K 2 0 Mezonunun Bozunumunun Kanıtı . İçinde: Fiziksel İnceleme Mektupları. Cilt 13, 1964, sayfa 138-140.

İnternet linkleri

Bireysel kanıt

  1. BaBar, zaman-ters çevirme ihlalinin ilk doğrudan ölçümünü yapar. 21 Kasım 2012. Erişim tarihi: 18 Aralık 2017 .
  2. A. Alavi-Harati ve diğerleri (KTEV): KS , L → π π Bozunmalarda Doğrudan CP İhlalinin Gözlenmesi . İçinde: Fizik Rev. Lett. 83, 22 (1999).
  3. ^ V. Fanti ve diğerleri (NA48): Nötr kaonun iki pion bozunmasında doğrudan CP ihlalinin yeni bir ölçümü. İçinde: Fizik Lett. B465, 335 (1999).
  4. ^ Theresa Harrison: NA31 / 48: doğrudan CP ihlali arayışı. İçinde: CERN.Courier.com. 23 Temmuz 2014.
  5. ^ GD Barr ve diğerleri (NA31): Nötr kaon sisteminde doğrudan CP ihlalinin yeni bir ölçümü In: Phys. Lett. B 317, 233 (1993).
  6. B. Aubert ve diğerleri (BABAR): B 0 → K + π - Çürümelerde Doğrudan CP Asimetriyi İhlal Eder . İçinde: Fizik Rev. Lett. 93, 131801 (2004).
  7. ^ L. Wolfenstein: CP Değişmezliğinin İhlali ve Çok Zayıf Etkileşimlerin Olasılığı. İçinde: Fizik Rev. Lett. 13, 562 (1964).
  8. B. Aubert ve diğerleri (BABAR): B 0 mezon sisteminde CP ihlalinin gözlemlenmesi In: Phys. Rev. Lett. 87, 091801 (2001).
  9. K. Abe ve diğerleri (Belle): Nötr B Mezon Sisteminde Büyük CP İhlalinin Gözlenmesi. İçinde: Fizik Rev. Lett. 87, 091802 (2001).
  10. ^ Belle II dedektörü devreye alındı. İçinde: belle2.jp. 26 Haziran 2017. Erişim tarihi: 7 Kasım 2017 .
  11. U. Bern: Nötrinolar için CP simetrisi ihlal edildi. 11 Ağustos 2017. Erişim tarihi: 4 Şubat 2018.