问题

什么是cp violation?

回答
CP 破坏,简单来说,就是物理定律对物质和反物质在某些情况下表现出不对称性。在宇宙诞生的初期,物质和反物质应该以相等的量被创造出来。然而,我们现在身处的宇宙却是由大量的物质构成的,几乎没有反物质的踪迹。CP 破坏就是用来解释这种不对称性为何会产生的一个关键概念。

要深入理解 CP 破坏,我们需要先拆解它名字里的几个部分:

C 变换 (Charge Conjugation): 想象一下,你有一个粒子,比如一个电子。它带负电荷,有一个特定的质量和自旋。如果你对它进行 C 变换,那么你就是把它变成它的反粒子——一个正电子。正电子的电荷是正的,质量和自旋与电子完全一样,但其他的量子数(比如轻子数)会变成相反的符号。所以,C 变换就是把一个粒子变成它的“镜像”反粒子。

P 变换 (Parity Transformation): P 变换,也叫做宇称变换,有点像是在照一面镜子。它会把一个粒子的空间坐标颠倒过来。也就是说,如果一个粒子在 (x, y, z) 的位置,经过 P 变换后就到了 (x, y, z)。这就像是把你的右手镜像变成左手,但你的左手镜像变成右手一样。它会翻转粒子的空间取向。

CP 变换 (ChargeParity Transformation): CP 变换就是同时进行 C 变换和 P 变换。也就是说,你不仅要把粒子变成它的反粒子,还要把它的空间坐标颠倒过来。例如,一个向右运动的电子,经过 CP 变换后,就会变成一个向左运动的正电子。

CP 破坏是关于什么?

CP 破坏是指:一个物理过程,如果它对粒子和反粒子之间是“不对称”的,那么它就违背了 CP 对称性。

换句话说,CP 对称性指的是,如果一个物理过程对粒子有效,那么对反粒子也应该以完全相同的方式有效。比如,如果一个电子以某种方式衰变,那么一个正电子也应该以一个“镜像”的方式衰变。如果这个“镜像”衰变不存在,或者衰变的方式和概率与电子不同,那么就发生了 CP 破坏。

为什么 CP 破坏很重要?

CP 破坏的出现,对于我们理解宇宙的起源至关重要。在宇宙大爆炸初期,理论上物质和反物质会以相等的数量产生,并且在相互湮灭的过程中释放能量。如果宇宙遵循严格的 CP 对称性,那么物质和反物质最终应该会完全湮灭,留下一个只包含光子和其他无电荷粒子的宇宙,而不会有我们今天看到的恒星、行星和我们自己。

然而,事实并非如此。我们生活在一个由物质主导的宇宙中。这意味着在宇宙早期,一定发生了某种机制,导致物质的数量比反物质稍微多那么一点点。正是 CP 破坏提供了这种不对称性的可能性。

CP 破坏是如何被发现的?

CP 破坏最早是在研究中性 K 介子 (K0) 的衰变时发现的。中性 K 介子是一种由夸克和反夸克组成的粒子。科学家发现,中性 K 介子及其反粒子(反中性 K 介子,记作 $ar{K}^0$)在衰变过程中,并不完全遵循 CP 对称性。

具体来说,中性 K 介子可以衰变成两种不同的粒子:一种是π介子,另一种是π介子和π介子。科学家观察到,当一个中性 K 介子衰变成两个π介子时,它和它的反粒子(反中性 K 介子)的衰变方式和概率竟然是不同的。这意味着 CP 对称性在这个过程中被破坏了。

后来,在研究B 介子时,也发现了 CP 破坏。B 介子是由底夸克和反夸克组成的。B 介子的 CP 破坏现象比 K 介子更加显著,并且在不同的衰变模式中表现出不同的差异,这为我们提供了一个更丰富的信息来研究 CP 破坏的起源。

CP 破坏是如何产生的?

CP 破坏的根源在于弱相互作用。弱相互作用是自然界四种基本相互作用之一(除了强相互作用、电磁相互作用和引力相互作用),它负责放射性衰变等过程。

在粒子物理的标准模型中,CP 破坏是通过CKM 矩阵 (KobayashiMaskawa matrix) 来描述的。这个矩阵描述了夸克之间弱相互作用耦合的振幅和相位。如果 CKM 矩阵中的某些相位不是零,那么就会导致 CP 破坏。

简单来说,夸克可以通过弱相互作用“混合”在一起。例如,一个底夸克可以衰变成一个上夸克。在这个过程中,如果涉及的夸克振幅的复数相位不同,就会导致粒子的衰变过程和其反粒子的衰变过程在统计学上是不一样的。

宇宙中的物质反物质不对称性与 CP 破坏的关系

正如前面提到的,CP 破坏是解释宇宙物质反物质不对称性的关键。在宇宙早期,当宇宙还处于高温高密状态时,存在大量的粒子和反粒子。当宇宙冷却下来,如果 CP 对称性被破坏,那么在粒子和反粒子相互湮灭的过程中,就会产生微小的差异,导致物质比反物质稍微多一些。这些剩余的物质粒子最终就构成了我们今天看到的宇宙。

这个理论被称为重子生成 (baryogenesis),而 CP 破坏是重子生成发生的三个必要条件之一(另外两个条件是:粒子数守恒的破坏,以及与热平衡的偏差)。

总结一下:

CP 破坏是指在物理过程中,粒子和反粒子在某些条件下行为不一致的现象。这是由弱相互作用中的一个复杂机制引起的。它的存在解释了为什么我们的宇宙是由物质主导的,而不是物质和反物质完全湮灭后剩下光子的宇宙。研究 CP 破坏是粒子物理和宇宙学中最重要和最活跃的研究领域之一,它帮助我们窥探宇宙最深层的奥秘。

这篇文章试图用相对通俗的方式来解释这个复杂的概念,希望能够帮助你理解 CP 破坏的本质和它在宇宙学中的重要意义。

网友意见

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book.douban.com/subject

关于CP对称性破缺的详细理论,请参考这本书。


关于CP不守恒,简单点地说相互作用的哈密顿量在CP联合变换下发生改变的一种现象。其中C变换是电荷共轭变换(将粒子变成反粒子的变换),P变换就是空间反演变换。按照传统观念,如果CP

守恒,当粒子初态是CP变换的本征态时,末态也将是CP变换的本征态,且本征值不变。

但是在1964年,实验物理学家们发现了诡异的现象,两个原本应该拥有不同CP本征值的粒子(Klong和Kshort)竟然拥有相同的衰变末态(Klong和Kshort这两个粒子,既可以衰变为两个π介子,又可以衰变为三个π介子。而前者的CP本征值是+1,后者的CP本征值为-1。)直到这个时候,大家才意识到:不仅P变换不守恒,CP联合变换也可以不守恒。

私底下吐槽一下:当初P宇称不守恒就是首先在K介子衰变中观察到的,而这次CP不守恒也是在K介子系统中发现的,K介子还真是守恒定律的克星啊。

同时,理论物理学家们还证明过一个定理:若一个量子场满足洛仑兹不变性和自旋统计定理,那么那么它一定满足CPT联合变换不变性。也正因如此,CP联合对称性的破缺就意味着T宇称的破缺。

目前的情况是:强相互作用、电磁相互作用都满足CP变换不变形,只有在弱相互作用CP对称性才发生破缺,人们已经确认:CP对称性破缺的根源是因为CKM矩阵中有一个复相位角,排除了之前提出过的“超弱相互作用”的可能性。

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