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出现破缺的CP

时间:2020-03-12 10:32:56 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读
破碎的CP

原理


物理学是一门专注于发现隐藏在我们周围的普遍现象背后的自然规律的学科自然法则应该是完全对称和绝对的,它们应该适用于整个宇宙。这似乎适用于大多数情况,但也有例外。在某些情况下,对称性会被打破,这是非常重要的。所以在物理学中,对称性破缺已经成为和对称性本身一样重要的研究课题


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CPT


描述了控制基本粒子的基本理论中的三种不同的对称原理:奇偶性(p)、电荷(c)和时间(t)


在奇偶性对称中,所有事件都应该以完全相同的方式发生在自身和镜像中。左和右之间不应该有任何区别,没有人能分辨他们是在自己的世界里还是在镜子里。


的电荷对称性表明粒子的行为应该与它们的反粒子完全一样反粒子和粒子有完全相同的性质,除了它们有相反的电荷。


的时间对称性表明微观层面的物理事件应该是同等独立的,无论时间的箭头是向前还是向后。物理学的对称性



不仅具有美学价值,而且简化了许多困难的计算,在微观世界的数学描述中起着决定性的作用更重要的是,对称性也与守恒定律密切相关,如能量守恒和电荷守恒定律,以促进对称性


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标准模型


大约在20世纪中叶,对称性破缺首次出现在物质基本原理的研究中。这一次,物理学家将自然界中所有最小的组成部分和基本力统一到一个框架中。但是当他们开始这项伟大的事业时,只有粒子物理学变得越来越复杂。二战后建造的粒子加速器不断产生一些以前从未见过的粒子,其中许多无法与当时的粒子模型相匹配。进一步的研究发现,假设不可分离的中子和质子实际上是由夸克组成的。经过物理学家的不懈努力,他们最终建立了一个统一所有基本粒子和三种基本力的标准模型:

所有已知的物质都是由第一代粒子组成的。第二代和第三代粒子具有与第一代粒子相同的特性,但都是较重的版本。它们非常不稳定,会在很短的时间内衰变为较轻的粒子。


标准模型包括自然界中的三种基本力及其相应的信使——即在基本粒子之间传递这些相互作用的粒子电磁力的信使是质量为零的光子。导致放射性衰变并使太阳和恒星发光的弱力是由巨大的W和Z玻色子传递的。这个力是由胶子传递的,胶子把原子核结合在一起。不幸的是,标准模型不能解释第四种基本力——重力。如何统一四种基本力是当今物理学面临的一大挑战。


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打破了c和P


标准模型,这些模型牢牢地建立在量子物理学和相对论的相位对称原理的基础上,并且在过去的几十年中经受住了无数的考验。然而,在一切变得清晰之前,物理学面临着一系列威胁这个看似平衡的建筑的危机。这些危机与物理学家假设对称定律适用于基本粒子有关,因为事实证明事实并非如此。


是1956年理论物理学家李政道和杨振宁挑战弱力中的宇称对称性的第一次事故像其他对称原理一样,人们过去认为自然界遵循镜像对称,即左右对称是一个不争的事实。


尽管李政道和杨振宁认为这些基本原理需要在基本粒子所处的量子世界中重新检验他们提出了一系列实验来验证这种镜像对称性。事实上,仅仅几个月后,吴健雄从放射性元素钴60的核衰变中发现,它并没有遵循镜像对称原理:离开钴核的电子会有倾向性地向某个方向发射。这意味着对称性被打破了这就像站在拥挤的高速火车站,看到大多数人都向左走。


之后不久,物理学家发现电荷的对称性也被打破了。那么,有没有可能存在一面魔镜,它不仅能左右反射,还能把粒子变成反粒子,也就是说,粒子和反粒子是彼此的镜像换句话说,在碳和磷的共同作用下,对称性不会被打破。在过去,物理学家相信,如果你进入一个所有物质都被反物质取代的镜像世界,自然法则不会改变。


,但在1964年,弱力再次引起了人们的注意詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇第一次在中性k介子的放射性衰变中发现了对对称性规则的新突破。少数k介子不遵循现有的镜像对称和电荷对称。它们打破了双CP对称性,对整个理论框架提出了新的挑战


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破解对称破缺之谜


我们必须找到对称破缺的合理解释,否则整个标准模型将受到威胁为什么对称性会被破坏一直是个谜,直到1972年,来自京都大学的两位年轻研究人员,小林真由(Makoto Kobayashi)和上川俊树(Maskawa Toshihide),在一个3×3的矩阵中找到了答案。


,一个双重对称破坏,到底是如何发生的?


每个k介子由一个夸克和一个反夸克组成。弱力使它们一次又一次地改变身份——夸克变成反夸克,反夸克变成夸克这个过程把k介子变成反k介子这样,介子在它自己和它的反粒子之间来回切换但是当适当的条件得到满足时,物质和反物质之间的对称性就会被打破。小林成和易川敏英的计算矩阵包含描述这种夸克到夸克转换将如何发生的概率。最初,夸克和反夸克在各自的家族中交换身份如果在物质和反物质之间发生这种双重对称破缺的身份交换,那么就需要三个新的夸克这是一个大胆的预测。标准模型包含了这些新的夸克假说,正如预测的那样,它们都是在实验中发现的。1974年,魅力夸克被发现。1977年,底部夸克被发现。最后一个是顶部夸克,直到1994年才被发现。

肖琳成和闵应康的理论也表明,我们可以研究中性B介子的对称性,因为B介子的质量是K介子的10倍然而,对称破缺很少发生在B介子中,因此需要大量的B介子来寻找一些对称破缺粒子。2001年,BaBar和Belle这两个独立的实验也观察到了B介子衰变中的CP破坏,这与30年前郑晓林和闵应康弘基于模型的预测完全一致


到2019年,欧洲粒子物理研究所的LHCb实验还发现了中性d介子衰变中的CP破坏


所有这些发现将帮助我们回答一个关于我们存在的难题:为什么物质和反物质在早期宇宙中出现轻微的不对称,以致我们今天看到的宇宙是由物质组成的?


注:细心的读者可能会发现CP损伤只发生在弱力中,为什么不发生在强力中是物理学中一个尚未解决的问题


参考来源:

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

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