CP 위반
CP violation표준 모델을 넘어서는 |
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표준 모델 |
입자 물리학에서 CP 위반은 CP-대칭(또는 전하 공역 패리티 대칭)을 위반하는 것입니다. 즉, C-대칭(전하 대칭)과 P-대칭(패리티 대칭)의 조합입니다.CP-대칭성은 입자가 반입자(C-대칭)와 교환되는 동안 공간 좌표가 반전("거울" 또는 P-대칭")되면 물리 법칙이 동일해야 한다고 말한다.1964년 중성 카온들의 부패에서 CP 위반이 발견됨에 따라 1980년 발견자인 제임스 크로닌과 발 피치에게 노벨 물리학상을 안겨주었다.
그것은 현재 우주에서 반물질에 대한 물질의 지배력을 설명하기 위한 우주론의 시도와 입자 물리학에서의 약한 상호작용에 대한 연구 모두에서 중요한 역할을 한다.
개요
1950년대까지 패리티 보존은 (에너지 보존 및 운동량 보존과 함께) 기본적인 기하학적 보존 법칙 중 하나로 여겨졌다.1956년 패리티 위반이 발견된 후 질서 회복을 위해 CP-대칭성이 제안되었습니다.그러나, 결합된 CP 변환 연산 하에서는 강한 상호작용과 전자파 상호작용이 불변하는 것처럼 보이지만, 추가 실험에서는 이러한 대칭성이 특정 유형의 약한 붕괴 동안 약간 위반되는 것으로 나타났다.
더 약한 버전의 대칭만이 물리적 현상인 CPT 대칭에 의해 보존될 수 있었다.C와 P 외에 움직임의 반전에 대응하는 제3의 동작인 시간 반전 T가 있다.시간 역전의 불변성은 물리 법칙에 의해 운동이 허용될 때마다 반전 운동 또한 허용되는 운동이며 앞뒤로 동일한 속도로 발생한다는 것을 의미합니다.
CPT의 조합은 모든 유형의 기본 상호작용의 정확한 대칭을 구성하는 것으로 생각된다.CPT 대칭정리가 유효하다면 오랫동안 유지되어 왔기 때문에 CP 대칭성의 위반은 T 대칭성의 위반과 동등하다.양자장론의 기본원리 중 하나로 여겨지는 이 정리에서는 전하공역, 패리티, 시간반전이 함께 적용된다.CPT 정리를 가정하지 않고 시간 반전 대칭 위반을 직접 관찰한 것은 1998년 CERN과 페르미랍에서 각각 CPLEAR와 KTeV의 [1]두 그룹에 의해 이루어졌다.이미 1970년에 클라우스 슈베르트(Klaus Schubert)는 벨-스타인버거 단위성 [2]관계를 사용하여 CPT 대칭을 가정하는 것과 독립적으로 T 위반을 관찰했다.
역사
P대칭성
패리티 대칭 뒤에 있는 생각은 입자 물리학의 방정식이 거울의 반전 하에서는 불변하다는 것이었다.이에 따라 반응의 거울상(화학반응이나 방사성 붕괴 등)이 원래 반응과 같은 속도로 일어난다는 예측이 나왔다.그러나 1956년 이론물리학자 리숭다오와 양첸닝의 기존 실험 데이터에 대한 신중한 비판적 검토 결과 패리티 보존은 강한 상호작용이나 전자기적 상호작용에 의해 소멸된 것으로 확인되었지만 [3]약한 상호작용에서는 검증되지 않았다.그들은 몇 가지 가능한 직접 실험 테스트를 제안했다.
코발트-60 핵의 베타 붕괴에 기초한 첫 번째 테스트는 1956년에 Chien-Shiung Wu가 이끄는 그룹에 의해 수행되었으며, 약한 상호작용이 P-대칭성 또는 유추된 것처럼 일부 반응은 [4]거울상만큼 자주 일어나지 않는다는 것을 결론적으로 입증했다.그러나 패리티 대칭은 전자기력과 강한 상호작용을 수반하는 모든 반응에 대해 여전히 유효한 것으로 보인다.
CP-대칭성
전체적으로 조합 대칭 PS가 깨지지 않고 유지되도록 다른 근사 대칭 S를 구할 수 있으면 양자역학계의 대칭성을 회복할 수 있다.힐베르트 공간의 구조에 대한 다소 미묘한 점은 P 위반 발견 직후 실현되었으며, 입자를 반입자로 변환하는 전하 결합 C가 질서를 회복하는 데 적합한 대칭이라는 것이 제안되었다.
1956년 라인하르트 오메는 양에게 보낸 편지에서 이오페, 오쿤, 루딕은 패리티 위반이 약한 [5]부패에서도 전하 활용 불변성을 위반해야 한다는 것을 보여주었다.
전하 위반은 Wu 실험과 파이온과 뮤온 붕괴에서 패리티 비보존을 관찰한 발렌타인 텔레그디, 제롬 프리드먼, 가윈과 레더먼에 의해 수행된 실험에서 확인되었고 C도 위반되었음을 발견했다.충전 [6][7][8]위반은 리버풀 대학의 존 라일리 홀트에 의해 수행된 실험에서 더 분명하게 나타났다.
그리고 나서 외메는 리와 양에게 P, C, T의 불변성 상호작용에 대해 논의한 논문을 썼다.B.L.에서도 독립적으로 동일한 결과를 얻었다.Ioffe, Okun, A.P.루딕입니다 두 그룹 모두 중립적인 카온 [5][9]붕괴에서 CP 위반 가능성에 대해 논의했습니다
Lev Landau는 1957년에 물질과 반물질 사이의 진정한 대칭으로 종종 단지 CP라고 불리는 [10]CP-대칭성을 제안했다.CP-대칭성은 전하 공역 C와 패리티 P의 두 가지 변환의 산물입니다.즉, 모든 입자가 대입자와 교환되는 과정은 원래 공정의 거울상(mirror image)과 동등하다고 가정하고, 따라서 CP-대칭성은 약한 상호작용에서 보존된다.
1962년, 두브나의 실험자들은 오쿤의 주장으로 CP를 위반하는 [11]카온 붕괴를 찾아내지 못했다.
실험 상태
간접 CP 위반
1964년 제임스 크로닌, 발 피치, 그리고 동료들은 CP-대칭성이 [12]깨질 수 있다는 카온 붕괴의 명확한 증거를 제공했다.이[13] 업적으로 1980년 노벨상을 받았다.이 발견은 약한 상호작용이 입자와 대입자 사이의 전하-공역 대칭 C와 P 또는 패리티뿐만 아니라 이들의 조합에도 위배된다는 것을 보여주었다.이 발견은 입자 물리학에 충격을 주었고 오늘날에도 여전히 입자 물리학과 우주론의 핵심에 있는 질문들에 대한 문을 열었다.정확한 CP-대칭성의 결여와 대칭에 매우 가깝다는 사실이 큰 퍼즐을 가져왔다.
1964년에 발견된 CP 위반의 종류는 중성 kaon이 대입자(각 쿼크가 다른 쿼크로 대체됨)로 변환될 수 있다는 사실과 연결되었지만, 이러한 변환은 양방향에서 정확히 동일한 확률로 발생하지 않는다. 즉, 간접 CP 위반이라고 불린다.
직접 CP 위반
많은 검색에도 불구하고, CERN의 NA31 실험이 동일한 중성 kaon의 붕괴 과정에서 CP 위반의 증거를 제시했던 1990년대까지 CP 위반의 다른 징후는 발견되지 않았다(직접 CP 위반).이 관측은 다소 논란이 많았으며, 1999년 페르미랍의[14] KteV 실험과 [15]CERN의 NA48 실험으로 최종 증거가 나왔다.
2001년부터 스탠포드 선형 가속기 센터(SLAC)[16]의 BaBar 실험과 일본의 고에너지 가속기 연구 기구(KEK)[17]의 벨 실험을 포함한 새로운 세대의 실험은 다른 시스템, 즉 B 중간자의 [18]소멸에서 직접 CP 위반을 관찰했다.현재 B 중간자에서의 CP 위반 프로세스가 다수 검출되었습니다.이러한 "B-factory" 실험 전에는 모든 CP 위반이 kaon 물리학에 국한되었을 가능성이 논리적으로 있었습니다.그러나 이는 CP 위반이 왜 강한 힘까지 확장되지 않았는가 하는 의문을 제기했고, 더 나아가 "정상" 현상에 대한 모델의 정확성에도 불구하고 확장되지 않은 표준 모델에 의해 예측되지 않은 이유에 대한 의문을 제기하였다.
2011년, Run [19]1 데이터의 0.6fb를 사용한 CERN의−1 LHCb 실험에 의해 중성 D 중간자의 소멸에서 CP 위반의 징후가 보고되었다.그러나 전체 3.0fb−1 Run 1 샘플을 사용한 동일한 측정은 CP-대칭성과 [20]일치했습니다.
2013년 LHCb는 이상한 B 중간자 [21]붕괴에서 CP 위반이 발견되었다고 발표했습니다.
2019년 3월, LHCb는 5.3 표준 편차 [22]0에서 벗어난 D D에서 위반이 발견되었다고 발표했다.
2020년에 T2K Collaboration은 최초로 [23]렙톤에서 CP 위반 징후를 보고했습니다.이 실험에서는 뮤온 중성미자())
와
μ 뮤온 안티뉴트리노())
의
μ 빔이 가속기에 의해 번갈아 생성되었다.검출기에 도달했을 때, 전자 중성미자(
δ
e)가 δ빔에서
μ 검출된 것보다 δ빔에서
μ 검출된 전자 중성미자(
δ
e)의 비율이 상당히 높았다.결과는 쿼크에서 볼 수 있는 CP 위반의 크기를 결정할 만큼 정확하지 않았다.또 다른 유사한 실험인 NOvA는 중성미자 진동에서[24] CP 위반의 증거를 발견하지 못하고 T2K와 약간의 [25][26]긴장 상태에 있다.
표준 모델의 CP 위반
쿼크 혼합을 기술하는 CKM 매트릭스 또는 중성미자 혼합을 기술하는 PMNS 매트릭스에 복잡한 위상이 나타나는 경우 표준 모델에서 "직접" CP 위반이 허용된다.복합상의 출현에 필요한 조건은 적어도 3세대의 쿼크가 존재하는 것이다.생성 수가 적을 경우 복잡한 위상 매개변수를 쿼크 필드의 재정의에 흡수할 수 있습니다.CP 위반이 없고 대부분의 CP 위반 진폭에서 발생하는 소실 신호가 발생하는 일반적인 리퍼싱 불변량은 Jarlskog 불변량이다.
의 이 / 6 0. J_ } / 의 경우 약.1의 3 × 10-( 3 10인 쿼크의 경우 인 <3 스타일 J_max 만 존재합니다.
이러한 복잡한 국면이 CP 위반을 일으키는 이유는 바로 알 수 없지만 다음과 같이 알 수 있다.특정 입자(또는 일련의 입자)를 a a 및(\b 및 a { 및 rightarrowb로 간주합니다. a a\displaystyle a\ {b}) 및 대응하는 반물질 프로세스를 고려합니다. { style { a} \ { }denote 、 a a m a a a a a a aa a ( \ ) 。CP 위반 전에 이러한 항은 복소수여야 합니다.크기와 은 Me ( \ M =M e\) 。 CKM 매트릭스에서 위상항이 도입되면 \ e\ ) 。M { { } } ate { bar }} ate } } 。따라서 e - 를 선택합니다(\ e
이제 공식은 다음과 같습니다.
물리적으로 측정 가능한 반응률은 M에 비례하므로 현재까지 차이가 없습니다., 2개의 다른 루트가 있다고 간주합니다 b → \ \ a equival b b b b2 b 、intermedi intermedi intermedi intermedi intermedi intermedi intermedi2 b 1 b \ style → a however intermedi intermedi however however however however however however however however:::: however however however however however however however however however however however however however1 → b however however however however however however however however: however however however however however however however however a2 b 이제 다음 항목이 있습니다.
몇 가지 추가 계산은 다음과 같습니다.
따라서 복잡한 위상은 입자 및 반입자에 대해 서로 다른 속도로 진행되는 공정을 발생시켜 CP를 위반하는 것을 알 수 있다.
이론적으로 CKM 행렬은 V = Uu. U.로CKM﹢
d 정의되며, U와ud U는 각각 페르미온 질량 행렬u M과 M을d 대각화하는 단일 변환 행렬이다.
따라서 복잡한 CKM 매트릭스를 취득하기 위해서는 다음 두 가지 조건이 필요합니다.
- U와d U 중 적어도u 하나는 복잡합니다.그렇지 않으면 CKM 매트릭스는 완전히 실재합니다.
- 둘u 다 복잡한 경우 U와d U는 동일하지 않아야 합니다. 즉, U ud U 또는 CKM 행렬은u 완전히 실재하는 항등 행렬이 됩니다.
강력한 CP 문제
양자 색역학에서 CP-대칭성에 대해 실험적으로 알려진 위반은 없다.구체적으로 QCD에 보존되어야 할 이유는 없기 때문에 이는 강력한 CP 문제로 알려진 미세 조정 문제입니다.
QCD는 전기 약 이론만큼 쉽게 CP-대칭성을 위반하지 않는다; 게이지 장이 페르미온 장에서 생성된 키랄 전류와 결합하는 전기 약 이론과 달리 글루온은 벡터 전류와 결합한다.실험 결과 QCD 섹터에서 CP 위반은 발견되지 않았습니다.예를 들어, 강하게 상호작용하는 부문에서 일반적인 CP 위반은 중성자의 전기 쌍극자 모멘트를 생성하며, 이는 10 e/m에−18 필적하는 반면 실험 상한이 대략 그 크기의 1조분의 1이다.
QCD 라그랑지안에는 CP 대칭성을 깰 수 있는 자연항이 있기 때문에 이것이 문제입니다.
쿼크 질량 θ의 θ각과 키랄상을 0이 아닌 것으로 선택할 경우 CP-대칭성이 위반될 것으로 예상할 수 있다.일반적으로 키랄 쿼크 질량 위상은 총 유효 ~\ 각도의 기여로 변환될 수 있다고 가정하지만, 이 각도가 순서 1이 아닌 매우 작은 이유는 설명되어야 한다. 즉 0에 매우 가까워야 한다.(이 경우)는 물리학의 미세 조정 문제의 한 예이며, 일반적으로 표준 모델을 넘어선 물리학으로 해결됩니다.
강력한 CP 문제를 해결하기 위해 제안된 몇 가지 해결책이 있습니다.가장 잘 알려진 것은 액시온이라고 불리는 새로운 스칼라 입자와 관련된 페체이-퀸 이론이다.축이 필요하지 않은 보다 새롭고 급진적인 접근법은 1998년 Bars, Deliduman 및 Andreev에 [27]의해 처음 제안된 두 시간 차원을 포함하는 이론이다.
물질-반물질 불균형
이 섹션은 어떠한 출처도 인용하지 않습니다.(2020년 11월 (이 및 에 대해 ) |
비암흑 물질 우주는 예상대로 물질과 반물질의 동등한 부분으로 구성되기 보다는 주로 물질로 이루어져 있다.물질과 반물질의 불균형을 일으키기 위해서는 사하로프 조건이 충족되어야 하며, 그 중 하나는 빅뱅 후 첫 번째 초간의 극한 조건에서의 CP 위반의 존재이다.CP 위반을 수반하지 않는 설명은 처음에 물질-반물질 불균형이 존재했다는 가정이나 다른 인정된 이국적인 가정에 의존하기 때문에 타당성이 낮다.
빅뱅은 CP-대칭성이 유지되었다면 동일한 양의 물질과 반물질을 생성했어야 했다. 따라서, 양쪽의 완전한 상쇄가 있었어야 했다. 즉, 원자는 반양성자로, 전자는 양성으로, 중성자는 반중성자로, 중성자는 반중성자로 등이었다.이것은 별 문제 없이 우주에 방사능 바다를 만들어 냈을 것이다.이는 사실이 아니기 때문에 빅뱅 이후 물리 법칙은 물질과 반물질에 대해 다르게 작용했을 것이다. 즉 CP-대칭성을 위반하는 것이다.
표준 모형에는 CP 위반의 원인이 세 개 이상 포함되어 있습니다.이들 중 첫 번째는 쿼크 분야의 카비보-코바야시-마스카와 행렬을 포함하는 것으로 실험적으로 관측되었으며, 물질-반물질 비대칭을 설명하는 데 필요한 CP 위반의 일부만 설명할 수 있다.강한 상호작용은 원칙적으로 CP에도 위반되어야 하지만, 실험에서 중성자의 전기 쌍극자 모멘트를 관찰하지 못한 것은 강한 부분의 CP 위반이 초기 우주에서 필요한 CP 위반을 설명하기에 너무 작다는 것을 의미한다.CP 위반의 세 번째 원인은 렙톤 섹터의 폰테코르보-마키-나카가와-사카타 매트릭스이다.현재의 긴 기준 중성미자 진동 실험인 T2K와 NO noA는 디락 위상을 위반하는 CP의 가능한 값의 극히 일부에 대해 CP 위반의 증거를 찾을 수 있는 반면, 제안된 차세대 실험인 Hyper-Kamiokande와 DUNE은 상대적으로 CP 위반을 확실히 관찰할 수 있을 만큼 충분히 민감할 것이다.dirac 위상의 가능한 값의 rge fraction.더 나아가 중성미자 공장은 디락 단계를 위반하는 CP의 가능한 거의 모든 값에 민감할 수 있습니다.중성미자가 마요라나 페르미온일 경우 PMNS 매트릭스는 마요라나 단계를 위반하는 두 개의 CP를 추가로 가질 수 있으며, 이는 표준 모델 내에서 CP 위반의 네 번째 원인이 될 수 있다.마요라나 중성미자에 대한 실험적인 증거는 중성미자 없는 이중 베타 붕괴의 관찰이 될 것이다.최선의 한계는 GERDA 실험을 통해 얻을 수 있습니다.렙톤 섹터에서의 CP 위반은 렙토제네시스라고 불리는 과정을 통해 물질-반물질 비대칭을 생성한다.만약 CP 위반이 렙톤 영역에서 실험적으로 확인된다면, 이것은 우주의 물질-반물질 비대칭성에 대한 표준 모델에서 선호되는 설명이 될 수 있다.
렙톤 섹터의 CP 위반이 물질-반물질 비대칭을 설명하기에 너무 작다고 실험적으로 결정되는 경우, CP 위반의 추가 출처를 설명하기 위해 표준 모델을 벗어난 몇 가지 새로운 물리학이 필요할 것이다.CP는 자연의 대칭이 아니기 때문에 표준 모델에 새로운 입자 및/또는 상호작용을 추가하면 일반적으로 CP 위반의 새로운 원인이 발생합니다.
사하로프는 빅뱅 이전의 시공간을 확장하면서 T대칭을 이용하여 CP대칭을 복원하는 방법을 제안했다.그는 그가 "초기 특이점"이라고 부르는 각각의 측면에서 일어난 사건들에 대한 완전한 CPT 반영을 설명했다.이 때문에 t < 0에서 시간 반대 화살표가 있는 현상은 반대 CP 위반을 겪기 때문에 CP-대칭성은 전체적으로 보존된다.직교(또는 양) 섹터에서 빅뱅 이후 반물질에 대한 물질의 비정상적인 초과는 빅뱅(반전자 또는 음) 섹터 이전의 반물질 초과가 된다. 이는 초기 특이성에 대해 발생하는 모든 현상의 CPT 반사로 인해 전하 결합, 패리티 및 시간의 화살이 모두 반전되기 때문이다.
우리는 중성 스핀리스 최대자(또는 광자)가 고산물이 과잉인 수축 물질로부터 t < 0에서 생성되고, 밀도가 무한할 때 순간 t = 0에서 "하나를 통과"하며, t > 0일 때 쿼크의 초과와 함께 붕괴하여 우주의 완전한 CPT 대칭을 실현하는 것을 시각화할 수 있다.이 가설에서 t < 0의 모든 현상은 t > 0의 현상에 대한 CPT 반사라고 가정한다.
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추가 정보
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- Davide Castelvecchi. "What is direct CP-violation?". SLAC. Archived from the original on 3 May 2014. Retrieved 1 July 2009.
- 패리티 위반과 CP 위반에 대한 기본적인 논의는 이 학생 수준의 교과서 [1]의 15장에 나와 있다.