出現破缺的CP

2023-03-31 21:41:10 1

原理

物理學是一門專注於發現隱藏在我們周圍的普遍現象背後的自然規律的學科自然法則應該是完全對稱和絕對的，它們應該適用於整個宇宙。這似乎適用於大多數情況，但也有例外。在某些情況下，對稱性會被打破，這是非常重要的。所以在物理學中，對稱性破缺已經成為和對稱性本身一樣重要的研究課題

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CPT

描述了控制基本粒子的基本理論中的三種不同的對稱原理:奇偶性(p)、電荷(c)和時間(t)

在奇偶性對稱中，所有事件都應該以完全相同的方式發生在自身和鏡像中。左和右之間不應該有任何區別，沒有人能分辨他們是在自己的世界裡還是在鏡子裡。

的電荷對稱性表明粒子的行為應該與它們的反粒子完全一樣反粒子和粒子有完全相同的性質，除了它們有相反的電荷。

的時間對稱性表明微觀層面的物理事件應該是同等獨立的，無論時間的箭頭是向前還是向後。物理學的對稱性

不僅具有美學價值，而且簡化了許多困難的計算，在微觀世界的數學描述中起著決定性的作用更重要的是，對稱性也與守恆定律密切相關，如能量守恆和電荷守恆定律，以促進對稱性

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標準模型

大約在20世紀中葉，對稱性破缺首次出現在物質基本原理的研究中。這一次，物理學家將自然界中所有最小的組成部分和基本力統一到一個框架中。但是當他們開始這項偉大的事業時，只有粒子物理學變得越來越複雜。二戰後建造的粒子加速器不斷產生一些以前從未見過的粒子，其中許多無法與當時的粒子模型相匹配。進一步的研究發現，假設不可分離的中子和質子實際上是由夸克組成的。經過物理學家的不懈努力，他們最終建立了一個統一所有基本粒子和三種基本力的標準模型:

所有已知的物質都是由第一代粒子組成的。第二代和第三代粒子具有與第一代粒子相同的特性，但都是較重的版本。它們非常不穩定，會在很短的時間內衰變為較輕的粒子。

標準模型包括自然界中的三種基本力及其相應的信使——即在基本粒子之間傳遞這些相互作用的粒子電磁力的信使是質量為零的光子。導致放射性衰變並使太陽和恆星發光的弱力是由巨大的W和Z玻色子傳遞的。這個力是由膠子傳遞的，膠子把原子核結合在一起。不幸的是，標準模型不能解釋第四種基本力——重力。如何統一四種基本力是當今物理學面臨的一大挑戰。

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打破了c和P

標準模型，這些模型牢牢地建立在量子物理學和相對論的相位對稱原理的基礎上，並且在過去的幾十年中經受住了無數的考驗。然而，在一切變得清晰之前，物理學面臨著一系列威脅這個看似平衡的建築的危機。這些危機與物理學家假設對稱定律適用於基本粒子有關，因為事實證明事實並非如此。

是1956年理論物理學家李政道和楊振寧挑戰弱力中的宇稱對稱性的第一次事故像其他對稱原理一樣，人們過去認為自然界遵循鏡像對稱，即左右對稱是一個不爭的事實。

儘管李政道和楊振寧認為這些基本原理需要在基本粒子所處的量子世界中重新檢驗他們提出了一系列實驗來驗證這種鏡像對稱性。事實上，僅僅幾個月後，吳健雄從放射性元素鈷60的核衰變中發現，它並沒有遵循鏡像對稱原理:離開鈷核的電子會有傾向性地向某個方向發射。這意味著對稱性被打破了這就像站在擁擠的高速火車站，看到大多數人都向左走。

之後不久，物理學家發現電荷的對稱性也被打破了。那麼，有沒有可能存在一面魔鏡，它不僅能左右反射，還能把粒子變成反粒子，也就是說，粒子和反粒子是彼此的鏡像換句話說，在碳和磷的共同作用下，對稱性不會被打破。在過去，物理學家相信，如果你進入一個所有物質都被反物質取代的鏡像世界，自然法則不會改變。

，但在1964年，弱力再次引起了人們的注意詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇第一次在中性k介子的放射性衰變中發現了對對稱性規則的新突破。少數k介子不遵循現有的鏡像對稱和電荷對稱。它們打破了雙CP對稱性，對整個理論框架提出了新的挑戰

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破解對稱破缺之謎

我們必須找到對稱破缺的合理解釋，否則整個標準模型將受到威脅為什麼對稱性會被破壞一直是個謎，直到1972年，來自京都大學的兩位年輕研究人員，小林真由(Makoto Kobayashi)和上川俊樹(Maskawa Toshihide)，在一個3×3的矩陣中找到了答案。

，一個雙重對稱破壞，到底是如何發生的？

每個k介子由一個夸克和一個反夸克組成。弱力使它們一次又一次地改變身份——夸克變成反夸克，反夸克變成夸克這個過程把k介子變成反k介子這樣，介子在它自己和它的反粒子之間來回切換但是當適當的條件得到滿足時，物質和反物質之間的對稱性就會被打破。小林成和易川敏英的計算矩陣包含描述這種夸克到夸克轉換將如何發生的概率。最初，夸克和反夸克在各自的家族中交換身份如果在物質和反物質之間發生這種雙重對稱破缺的身份交換，那麼就需要三個新的夸克這是一個大膽的預測。標準模型包含了這些新的夸克假說，正如預測的那樣，它們都是在實驗中發現的。1974年，魅力夸克被發現。1977年，底部夸克被發現。最後一個是頂部夸克，直到1994年才被發現。

肖琳成和閔應康的理論也表明，我們可以研究中性B介子的對稱性，因為B介子的質量是K介子的10倍然而，對稱破缺很少發生在B介子中，因此需要大量的B介子來尋找一些對稱破缺粒子。2001年，BaBar和Belle這兩個獨立的實驗也觀察到了B介子衰變中的CP破壞，這與30年前鄭曉林和閔應康弘基於模型的預測完全一致

到2019年，歐洲粒子物理研究所的LHCb實驗還發現了中性d介子衰變中的CP破壞

所有這些發現將幫助我們回答一個關於我們存在的難題:為什麼物質和反物質在早期宇宙中出現輕微的不對稱，以致我們今天看到的宇宙是由物質組成的？

注:細心的讀者可能會發現CP損傷只發生在弱力中，為什麼不發生在強力中是物理學中一個尚未解決的問題

參考來源:

https://www . nobel prize . org/uploads/2018/06/popular-physicspreze 2008 . pdf