CPT INVARIANCE


C symetrie
Představme si,
že bychom vybudovali věrnou kopii našeho světa nebo jen nějakého zařízení
z antičástic. V atomových jádrech by místo protonů a neutronů byly antiprotony
a antineutrony, v atomových obalech by byly místo elektronů pozitrony,
atd. Tuto operaci nazýváme nábojové sdružení a příslušnou symetrii nazýváme
C symetrií: jde o záměnu všech částic za částice s opačnými kvantovými
náboji (za antičástice). Písmeno C pochází z anglického Charge (náboj).
Základní otázkou je, zda by se takto vytvořený svět nebo jen nějaké zařízení
chovaly stejně jako originál vybudovaný z částic, tj. zda platí C symetrie.
Potom by naše zákony popisující přírodu musely tuto symetrii v sobě obsahovat,
říkáme, že by byly C invariantní.
P symetrie
Představme si, že bychom vybudovali zrcadlový obraz nějakého zařízení.
Vše levé by bylo zaměněno za pravé, tj. levotočivé závity šroubů za pravotočivé,
pružiny stočené doleva za pružiny stočené doprava, molekuly by byly nahrazeny
zrcadlovými obrazy, atd. Tuto operaci nazýváme zrcadlová operace a příslušnou
symetrii nazýváme zrcadlovou (paritní) neboli P symetrií Důležitou otázkou
opět je, zda by takto zkonstruovaný přístroj fungoval stejně jako originál,
tj. zda platí P symetrie.
T symetrie
T symetrie znamená obrácení chodu času, písmeno T pochází z anglického Time (čas). Všechny procesy
by měly být možné i v obráceném pořadí. Bude proces probíhat „pozpátku“,
zaměnímeli počáteční a koncové stavy částic a obrátíme-li vektory jejich
rychlostí? Nebo jinak: nafilmujeme nějakou srážku částic či jiný děj a film pustíme pozpátku. Bude takový děj možný v přírodě?
Narušení symetrií, kombinované symetrie
P symetrie: Do roku 1956 fyzikové věřili v P symetrii. V roce 1956
byly pozorovány slabé rozpady K+ mezonů, které nezachovávaly
pravolevou symetrii. Zrcadlový obraz rozpadu vypadal jinak než obraz původní.
To by znamenalo, že pravý a levý směr není zcela rovnoprávný.
K ověření tohoto důležitého tvrzení navrhli
T. D. Lee a C. N. Yang experiment
s izotopem kobaltu Co 60. Experiment provedla
C. S. Wu z Kolumbijské university
v roce 1957. Kobalt
reaguje na magnetické pole. Proto byl izotop Co 60 podroben působení velmi
silného magnetického pole za nízkých teplot. Magnetické momenty atomů kobaltu
se při nízké teplotě zorientovaly ve směru magnetického pole. Předem tedy
byl znám směr magnetického momentu atomů kobaltu (ve směru vnějšího magnetického
pole). Atom kobaltu podléhá beta rozpadu, při kterém se uvolňují elektrony
(beta rozpad je způsoben slabou interakcí, stejně jako rozpad K mezonů,
pozorovaný v roce 1956). V experimentu se ukázalo, že ve směru orientace
vnějšího pole vylétá méně elektronů než ve směru opačném. Narušení pravolevé
symetrie tak bylo definitivně potvrzeno. Při slabé interakci neplatí P
symetrie.

Dnes dokonce známe procesy, ve kterých pozorujeme stoprocentní narušení P symetrie.
Neutrina se například vyskytují jen v levotočivém provedení (točivostí
rozumíme orientaci spinu vzhledem ke směru pohybu částice).
Jak si to lze představit? Třeba takto: Myslete si, že neutrina jsou malé
střely vystřelované z hlavně pušky. A v přírodě jsou jen hlavně s levotočivým
drážkováním, které neutrina vždy roztočí (vlastní točivost je v tomto podobenství
spin) jen doleva. Dobře tedy, ale co když v přírodě je symetrie taková, že všechna antineutrina
jsou pravotočivá (tj. neutrinové antihlavně mají pravotočivé drážkování)?
Pak by mohla platit tzv. CP symetrie:
|
CP symetrie:
- V přístroji nahradíme vše levé za pravé.
- Všechny částice vyměníme za antičástice.
Bude již nyní fungovat stroj stejně?
Bohužel, v roce 1964 byly (J. W. Cronin,
V. Fitch,
Nobelova cena pro rok 1980) pozorovány rozpady levotočivého K0L mezonu
na piony π+ a π−,
které sice málo, ale přece jen narušují i CP symetrii (z 22 700 případů bylo 45±9 narušeno).
V roce 1968 přišel Andrej Sacharov s myšlenkou, že by narušení CP symetrie
v silné interakci mohlo mít při vzniku Vesmíru za následek převládnutí hmoty
nad antihmotou. V období před velkým sjednocením interakcí
částice X a Y způsobovaly přechody mezi kvarky a leptony (viz Velké sjednocení).
Díky narušení CP invariance v silné interakci probíhaly tyto procesy mírně nesymetricky a vedly
k velmi malému porušení rovnováhy mezi hmotou a antihmotou. Zhruba na jednu
miliardu reakcí oběma směry proběhlo o jednu reakci více směrem k hmotě.
Když se Vesmír dostatečně ochladil, došlo k anihilaci látky a antilátky,
ohřevu Vesmíru vzniklým zářením. Při anihilaci však na každou miliardu
částic a antičástic zbyla díky narušení CP invariance jedna částice. Právě
z nich je postaven dnešní Vesmír.
kvark |
|
antilepton |
antikvark |
|
lepton |
Narušení CP symetrie v silné interakci bylo pozorováno až v roce 2004 na
detektoru BABAR ve Stanfordu. Při srážkách zde vznikají kvarky a antikvarky
bottom (b, b). Název zařízení
pochází z anglického „b and b bar“. Sledovány byly rozpady částice B0
a její antičástice B0.
Rozpad obou částic má řadu možností, z nichž byl také sledován relativně vzácný
rozpad na dvojici kaon a pion, konkrétně šlo o reakce
B0 → K+ + π−
B0 → K− + π+
V případě stejných vlastností hmoty a antihmoty by obě reakce měly probíhat
stejně pravděpodobně a měly by se objevovat stejné počty párů (K+ π−)
a (K− π+). Skutečnost byla ale jiná. V experimentu bylo
detekováno 910 párů (K+ π−) a jen 695 párů (K−
π+). Způsob rozpadu hmoty a antihmoty tak probíhá prokazatelně
odlišně. Výzkum chování antihmoty bude také probíhat na detektoru LHCb
v komplexu CERN.
|
T symetrie: Základní zákony elektřiny a magnetismu
i gravitace jsou neměnné při obrácení chodu času. Na úrovni elementárních
procesů lze každý „film“ pustit pozpátku. Nikoli však již pro velké soubory
částic. Zde jsou sice obrácené procesy principielně možné, ale jejich pravděpodobnost
je mimořádně malá. U makroskopických dějů existují tedy nevratné procesy.
Je skutečně velmi malá pravděpodobnost, že se rozbitá sklenička poskládá
sama zpět, i když bychom čekali velmi dlouhou dobu.
Jsou procesy vratné alespoň na elementární úrovni srážek dvou částic?
Bohužel, ani zde to například při slabé interakci neplatí. Obrátíme-li
u částic směr rychlosti, nebude se děj odvíjet pozpátku přesně stejně.
Experimentálně bylo narušení T symetrie dokázáno v experimentech na zařízení
LEAR ve středisku CERN. Experimenty byly prováděny v letech 1990–1996, teoreticky
byly zpracovány až na přelomu roku 1998/1999 (ohlášení objevu). Antiprotony
urychlené na statický terč interagovaly s protony terče za vzniku interagujícího
systému neutrálních kaonů a antikaonů K0 ↔
K0:
p− + p+ |
→ |
K− + π+
+ K0 , |
p− + p+ |
→ |
K+ + π−
+ K0. |
Následující kanály rozpadu kaonů by při časové symetrii měly být stejně
zastoupené:
K0 |
→ |
e− + ν
+ π+ , |
K0 |
→ |
e+ + ν + π−
. |
V experimentech bylo zjištěno asymetrické chování, později došlo k nezávislému
potvrzení v americkém urychlovacím komplexu
Fermilab. |
CPT symetrie: Dnes věříme, že skutečnou realizovanou symetrií v přírodě je
CPT
symetrie, tj. aby procesy byly symetrické, musíme
- zaměnit částice za antičástice,
- zaměnit levé za pravé,
- obrátit chod času (koncové a počáteční polohy částic a změnit znaménko vektoru rychlosti).
Zatím žádný provedený experiment této symetrii neodporuje.
|

|