Зарядова C-симетрия. C-четност. Зарядово спрягане.

Що е то електричен заряд?

В различните области на физиката може да получите различен отговор на този въпрос. Според класическата електродинамика, заряд е способността на тяло да привлича или отблъсква друго тяло, притежаващо също заряд. Зарядите са два вида, положителни и отрицателни, като противоположните заряди се привличат, а се отблъскват едноименните. Симетрията при зарядите е очевидна и с основание бихме предположили, че ако разменим знаците на полюсите няма да има последици.

Според квантовата електродинамика заряд е способността на частицата да излъчва или поглъща кванти. Взаимодействието електромагнетизъм се свежда до обмен на фотони (виж Бозоните и фундаменталните взаимодействия). И в класическата, и в квантовата физиката става дума за заряда като фундаментално свойство, което не може да се обясни с други свойства.

Електрическият заряд на отрицателно заредени електрони е равен на заряда на положително заредените протони в ядрото. Ако изведнъж заменим знака на електроните от - на +, а на протоните от + на - и така на всички заредени частици във Вселената, не можем да очакваме нещо да се промени, тъй като силата взаимодействието ще остане същата. Това обаче излезе, че не се отнася за слабите взаимодействия, за което ще говорим по-късно.

Схема: universetoday

C-симетрия

Илюстрация:quantum diaries

Макар, че поотделно C и P – симетриите да се нарушават, заедно CP-трансформацията превръща частиците в античастици, т.е. установява се симетрията между материя и антиматерия. Лявоориентираната Вселена е еквивалентна на дясноориентираната АнтиВселена.

Тук аз си зададох въпроса, който може би и вие си задавате:

“Защо ни е необходима CP-трансформация – нали зарядовата C-трансформация обръщайки знака на заряда превръща частиците в античастици? Не е ли достатъчно само да се замени заряда с противоположния му?”.

Там е работата, че в нашия свят частиците са ляво завъртяни” – Господ не само си играе на зарове, но ги и хвърля с лявата ръка. Не съществува в нашата Вселена дясноориентиран електрон. Затова групата симетрия между материя и антиматерия е комбинирана : CP-симетрия.

На схемата вдясно е показан разпада на мюон (μ-) на електрон (e-), електронно антинеутрино ( e ν ) и мюонно неутрино ( μ ν ) Електроните се излъчват предимно в посока, противоположна на поляризацията на мюоните. След огледално отражение или операцията Р-симетрия се получава реакция, която не се наблюдава (горен ред вдясно). При прилагане на операцията С-симетрия (зарядово спрягане) се получава реакцията на втория ред вляво, която също не се наблюдава. Ако обаче приложим и двете операции С и Р, се получава реакция, която реално може да се наблюдава.

Този нов феномен е регистриран при разпада на античастиците. Оказало се, че при разпада си античастиците имат същата асиметрия като на частиците, но в обратна посока! При разпада на неутрони електроните летят надолу, а при разпада на антинеутроните, електроните летят нагоре.. Това правило се потвърждава при разпада на всички частици. С други думи, анти-частиците се държат като огледални партньори на частиците.

Въвеждането на комбинираната симетрия позволило да се асоциира тази асиметрия не с пространството, а с частици и античастици. И опитът на мадам Ву в един антисвят, при разпадането на антикобалт, би изглеждал огледално симетричен.

Принципът на симетрия, изглежда, е спасен. Но не за дълго.

“Слабите” срутиха и CP-симетрията

Очевидно, CP-симетрията също трябва да се нарушава – живеем в свят, доминиран от материя (в противен случай щяхме да наблюдаваме изобилие от гама-лъчи от анихилацията на галактики антиматерия и материята). Но изглежда антиматерията във Вселената липсва – излиза, че материята и антиматерията не са симетрични.

Експериментално, нарушаването на универсалната инвариантност на комбинираната CP симетрия било доказано от Джеймс Кронин (James Watson Cronin) и Вал Фич (Val Logsdon Fitch) през лятото на 1963-та, за което получават Нобелова награда през 1980г.

Кронин и Фич като сътрудници на Лабораторията Брукхейвън (BNL – Brookhaven National Laboratory ) изследвали снопове неутрални K-мезони, генерирани от ускорителя в Брукхавен.

K- мезоните (каоните) са нестабилни и не съществуват извън вътрешността на неутронни звезди и ускорителите на частици, където те изкуствено се пораждат като K- и антиК- двойки при сблъсъци на висока енергия. Изследванията на свойствата на неутралните K⁰ и K⁰-мезони е от особен интерес, защото те ни позволяват да изследваме редица уникални прояви на принципите на квантовата механика като осцилацията на частиците.

Неутралните каони – хем частици, хем античастици.

Неутралните мезони K⁰ и K⁰ са частица и античастица. Тъй като са неутрални, те не се различават по заряд, а само по квантовото число за странност: (s(K⁰) = +1, s(K⁰) = −1). Неутралните каони са изградени от долен и от по-масивния странен кварк:

• при частицата K⁰  те са долен и странен антикварк – d s,
• а при античастицата K⁰  са долен антикварк и странен кварк – s d.

Спрямо силните взаимодействия двата неутрални каона за две отделни частици и имат различно поведение.

Спомняте ли си реакцията на Белоусов-Жаботински, която представляваше циклична химична реакция? Нещо подобно се случва с неутралните каони при слабите взаимодействия – странността не се запазва и те свободно преминават една в друга преминават една в процес, известен като осцилация на неутралните мезони, в този случай с период на осцилации 1.2.10^-9сек.

Странният антикварк в K0 губи енергия и се превръща в долен анти-кварк, като последователно излъчва два W-бозони с противоположен заряд.Съседен d-кварк е възможно да абсорбира освободената енергия и да се превърне в странен кварк. В резултат на това възниква частица, състояща се от антикварк d и странен кварк s, т.е. неутрален антикаон

В края на краищата имаме не просто “смес” от частици и античастици. В един случай, неутралният каон може да се прояви като частица K⁰ , а в друг – като античастицата K⁰ – нещо нормално за квантовите явления.

До 64-та година, до опита на Кронин и Фич, се е смятало че вероятността за преход K⁰→ K⁰ е равна на вероятността за прехода K⁰ → K⁰ и че симетрията е ненакърнена.

Дълготрайния и краткотрайния каон. Непряко CP нарушение

Тази система от частици и античастици K⁰ и K⁰ може да бъдат представени като суперпозиция (комбинация) на две други състояния K⁰_S и K⁰_L:

• каон K⁰_S с кратко време на живот t_S = 0,86.10^-10 s и
• каон K⁰_L с дълго време на живот t_L = 5,4.10^-8 s.

K⁰_S и K⁰_L имат различна вътрешна СР-четност, което може да се изрази така:

СР|K⁰_S> = +1|K⁰_S>

СР|K⁰_L> = -1|K⁰_L>

Тоест, краткотрайният каон е СР-четна, а дълготрайният каон е СР-нечетна частица, но те не са частица и античастица, а притежават различна вътрешна четност.

Неутралните каони се разпадат в резултат на слабото взаимодействие на два или три пиона. Под действие на слабото взаимодействие K⁰_S се разпада на два π-мезона:

Това, което е било сензация в доклада на Кронин и Фич било, че в един на 500 или в 0.2% от случаите, дълготрайният неутрален каон K⁰_L се разпада на два пиона, което макар и рядко да се случва, противорeчи на закона за запазване на комбинираната четност.

Тези експериментални резултати били първоначално посрещнати с недоверие и преди публикуването им, в продължение на шест месеца, били подложени педантичен анализ и проверка, които потвърдили, че дълготрайният K⁰_L -мезони се разпадат на две пи-мезона.

От това следва, че благодарение на слабите взаимодействия, съществуват различия в поведението на частици и античастици и CP-симетрията също не е универсална.

Физиците открили, че неутралните антикаони се превръщат в каони малко по-бързо, отколкото в антикаони. С други думи, антиматерията се превръща в материя по-бързо, отколкото материята в антиматерия и така в крайна сметка се събира малък, но все пак измерим излишък от материя.

Това е известно като непряко CP-нарушение и се дължи на осцилацията частица-античастица на неутралните каони. Има и пряко нарушение на CP-симетрията, при което нарушението става при самия разпад.

И двете реакции и осцилацията и разпада се дължат на слабите взаимодействие посредством W-бозона, а нарушението се прогнозира от CKM – матрицата и е свързано с факта, че елементите на тази матрица включват имагинерна част.

Прякото нарушение на CP-симетрията. В-мезоните.

Доскоро, нарушаване на СР-симетрията е било установено само при неутралните каони, но според Стандартния Модел такова нарушение би трябвало да се наблюдава и пряко, при разпада на други частици – мезони, като В-мезоните. Нещо повече, съгласно СКМ-матрицата, степента на нарушаване на комбинираната четност при В-мезоните трябва да е много по-висока отколкото при каоните – при тях имахме едно нарушение на 500 разпада, то при В-мезоните се очаква да има един случай на всеки 8 разпада. Неутралните В-мезони са частици, състоящи се от един тежък b–кварк и един d-кварк : B0 =b d , B0= b d

Снимка: © SLAC National Accelerator Laboratory

Въздушна снимка на колайдера KEK в Цукуба, Япония. Източник: Science Information NETwork 4

В търсене на прякото нарушение на СР-четността са минали десетки години на мащабни експерименти във Fermilab и ЦЕРН. През 1990 г. е въведено ново поколение от експерименти: експеримента BaBar на Станфордския център на линейни ускорители (SLAC) и експеримента Belle на японската национална лаборатория KEK в Цукуба. Тези експерименти се извършват в т.н. “фабрики за частици” – електрон–позитроненни колайдери с подходящо подбрана енергия за работа с определени частици, произвеждат повече от милион В-мезона на ден. И още през 2001 г. двата независими експеримента потвърдиха нарушаването на симетрията от В-мезоните.

В B-фабриките, от енергията на анихилациите на е+ и e- се създава Y- мезон, който се състои от двойка b b красиви (beauty) или долни (bottom) кварки. Почти веднага този мезон се разпада на B⁰- и B-⁰ мезони. Подобно на неутралните каони, неутралните В-мезони имат способността да се превръщат в своите античастици и да съществуват осцилирайки между двете състояния.

След като се породят от сблъсъците на електрони и позитрони, B⁰- и B-⁰ мезоните живеят за по-малко от една милионна част от секундата (10^-12 s),  преди да се разпаднат в други частици.

Тъй като това е много малко време и е невъзможно със сегашните средства да бъде измерено, се измерва разстоянието, което неутралният В-мезон изминава от раждането си до разпадането си, което е около 200 μm. Затова двата снопа на колайдера имат различна енергия  (асиметричен колайдер). Нарушаването на СР симетрията се проявява в малка разлика във времето на разпадане на B- и -частиците.

В-мезоните се разпадат по много начини, но учените са търсили тези редки събития, при които краткотрайният Bs-мезон се разпада в двойка K⁺  и π^_ , а анти-Bs-мезонът – в K^- и π⁺ двойка.

Ако CP-симетрията се налагаше строго, двете събития щяха да се случват в еднаква вероятност. Но резултатите от експеримента БаБар показват, че след електрон-позитронните сблъсъци са произведени 910 K⁺π^_  двойки и само 696 K^- π⁺ двойки.

Това е  пряко CP нарушение.

Резултатите от ЦЕРН. Ред е на D⁰-мезоните.

CP нарушението, наблюдавано досега при B- и K -разпада е в съответствие с предсказанията на Стандартния модел, но е твърде малко, за да обясни наблюдаваната асиметрия на материя и антиматерия. Една от целите на експеримента LHCb, който се провежда в ЦЕРН на Големия адронен колайдер е подробно изследване на CP-нарушението и търсене на нови източници на нови частици, които да покажат по-силно отклонение от CP-симетрията.

В материали от конференция през 2011г. са представени резултатите от експеримент, изследващ D0-мезони и анти- D0-мезони. Също като B-мезоните, D-мезоните имат относително дълъг живот, но вместо b-кварки съдържат , c-кварки (чаровни кварки).  Сред тях има два електрически неутрални мезони: D0 = с u, и D0 = с u .CP нарушението може да се наблюдава като разлика в скоростта на D0 -разпада до някакво крайно състояние, в сравнение с темпа на разпада на античастица D0 до същото крайно състояние. Тъй като ефектът, който се търси е много малък, при експеримента LHCb се търси чрез измерване на разликата в CP-асиметрията за двете крайни състояния, D0 → K - K + и D0 → π - π +.Експериментът е събрал данни за повече от един милион от тези разпада, общо 10 пъти повече, отколкото при измерванията чрез експериментите в B-фабриките, повече е и от данните, получени по-рано от експеримента CDF Теватрон Fermilab ( за който споменах в публикацията за Антиматерията).

Снимка: CERN

Резултатът: несъответствието между материя и антиматерия е равно на около 0,8% и първото доказателство за CP-нарушение в сектора на чаровния кварк. Този резултат е много по-висок от предсказания от Стандартния модел – 0,1%, което кара някои теоретични физици да се обърнат за обяснение към т.н. “нова физика”, обединяваща теориите за суперсиметрията, обединените взаимодействия и други теории отвъд Стандартния модел според изследователите от ЦЕРН.

По-голямо или по-малко, отклонението от CP-симетрията е налице и ако развием метафората на Айнщайн-Бор:

Защо нарушението на CP е важно?

Всяко нарушение на основните симетрии е важно и трябва да се положат усилия да бъде разбрано.  Но за разлика от P-нарушението, загубата на CP-симетрията има последици от голям, космологичен мащаб. Всъщност, това нарушение е може би причината да съществуваме ние, да съществува самата наша Вселена.

Според теорията за Големия взрив, в един от най-ранните си стадии 10^-43 s ≤ t ≤ » 8. 10^-7 s. (по-малко от една микросекунда) от съществуването си, Вселената е представлявала много гореща плазма с температура около ~ 10¹³ K. Тя се е състояла от равни количества кварки и анти-кварки, лептони и анти-лептони. Това означава, че количеството материя, минус количеството на анти-материя, е нула. Елементарните частици и античастици бурно си взаимодействали, анихилирайки се. Този процес на анихилации произвежда огромно количеството фотони във Вселената, които сега се засичат като реликтов фон.

Ако броят на частиците и античастиците беше абсолютно равен, тоест има пълна симетрия, би трябвало всички частици взаимно да се унищожат, но благодарение на нарушаването на C и CP-симетрията се е оформил малък превес на частиците над античастиците и от тези оцелели от анихилациите частици е започнало развитието на нашата разширяваща се Вселена, чак до симпатичното синьо кълбо, мотаещо се около една  с нищо незабележителна звезда в един от ръкавите на една  с нищо незабележителна галактика.

Какво остава още – една не по-малко интересна симетрия – симетрията на времето.

Източник:

Зарядовое сопряжение. Зарядовая четность
Зарядовая симметрия
THE AMBIDEXTROUS UNIVERSE by MARTIN GARDNER
Symmetry in Physics, Pt. 2: Discrete Symmetries and Antimatter, FLIP TANEDO
Зарядовое сопряжение. Зарядовая (С) четность. СР-инверсия
Еще одно свержение в царстве слабых
CP Violation , Daedalus, Columbia University Physics Department
ФАБРИКИ ЗА ЧАСТИЦИ, Светът на Физиката, Институт за Ядрени Изследвания и Ядрена Енергия (ИЯИЯЕ) към Българската Академия на Науките.
Belle Confirms Quantum Entanglement at 10 BillionElectron Volts, March 02, 2007 High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
Нарушение CP-симметрии. Поиск его истоков, Дж.В. Кронин
ЗЕРКАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ В НАШЕМ МИРЕ , к.ф.н.Г.Г.Тахтамышев, журнал “Химия и жизнь – XXI век”
Привет из Зазеркалья, Андрей Коняев
Законы сохранения. C-, P-, CP-симметрии. Распады K0-мезонов, Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин, АНТИМАТЕРИЯ
What is direct CP violation? Davide Castelvecchi, slac.stanford.edu
LHCb sees first evidence for CP violation in charm decays, CERN COURIER
При наблюдениях за распадами очарованных мезонов обнаружены признаки нарушения СР-инвариантности
Implications of the LHCb Evidence for Charm CP Violation, CERN-PH-TH/2011-301
Осцилляции мезонов и маятники
Детектор LHCb подтверждает смешивание в нейтральных D-мезонах
LHCb has evidence of new physics!Maybe.
В търсене на изгубената симетрия, Динко Динев, Светът на физиката 2/2009
Огледалната материя, О. Максименко, Светът на физиката 3/2011

Още по темата

13/05/2015

Физика

В LHC е наблюдаван рядък субатомен процес

08/04/2015

Физика

Дискретна (прекъсната) симетрия. P- четност.

06/04/2015

Физика

Пространствено-времеви трансформации и закони за съхранение. Теорема на Ньотер.

24/03/2015

Математика

Симетриите като групи