التماثلات C و P و T (ومجموعات منها)

في القرن العشرين ، اكتشف خبراء في فيزياء الجسيمات أنه من المهم جدًا مراعاة جميع التماثلات الممكنة التي يمكن إثباتها بواسطة قوانين الطبيعة التي تحكم الجسيمات الأولية. قد يكشف لنا وجود التماثل أو عدمه عن جوانب من الطبيعة ليست واضحة.

من بين العديد من التماثلات الممكنة ، يمكن أن تلعب ثلاثة دورًا فريدًا: اقتران الشحنة (C) ، التكافؤ المكاني (P) ، والتماثل فيما يتعلق بعكس الوقت (T). ثلاثة من هذه التحولات ، التي تؤثر على الجسيمات والمكان والزمان ، تشمل:

• ج: استبدال جميع الجسيمات بجزيئات ذات شحنة معاكسة (شحنة كهربائية وشحنات أقل شيوعًا ؛ حتى يتم استبدال بعض الجسيمات المحايدة. على سبيل المثال ، تتحول النيوترينوات إلى مضادات النيوترونات والنيوترونات إلى مضادات النيوترونات).
• P: وضع العالم في المرآة (بتعبير أدق ، تغيير اتجاه الأبعاد الثلاثة إلى العكس).
• T: إطلاق العالم في الاتجاه المعاكس للوقت (بتعبير أدق ، تغيير اتجاه التطور الزمني).

كل من هذه التحولات لها خاصية أنك إذا قمت بها مرتين ، فسوف تعود إلى حالتها الأصلية. في المصطلحات ، نقول أن P ² = P × P = 1 (أي إذا وضعت مرآة في المرآة ، فإن ما تراه سيبدو كما لو لم تكن هناك مرايا) ، وبالمثل ، C ² = 1 و T ² = 1.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك إجراء تحويلين معًا. على سبيل المثال ، يمكنك عمل C ، ثم P ، التي نكتبها ببساطة "CP" (أو يمكنك إنشاء جهاز كمبيوتر ، سيكون نفس الشيء - بالنسبة لهذه التحويلات لا يهم الترتيب) ، حيث تضع العالم في المرآة وتغير شحنات الجسيمات. يمكنك أن تفكر في CT ، PT ، وحتى CPT. بالإضافة إلى C و P و T بأنفسهم ، فإن أيًا من هذه المجموعات ، عند القيام بها مرتين ، ستعيد كل شيء كما كان.

وماذا نفعل بهذه التحولات؟ نحن بحاجة إلى طرح سؤال: إذا تصورنا عالماً تم إنشاؤه من عالمنا باستخدام أحد التحولات ، فهل ستعمل قوانين الطبيعة التي تحكم الجسيمات والتفاعلات الأولية بنفس الطريقة التي تعمل بها في عالمنا؟

إذا كان الجواب نعم ، فإن كل ما يمكن أن يحدث في عالم جديد متغير يمكن أن يحدث في عالمنا. في هذه الحالة نقول أن هذا التحول هو تناظر عالمنا. بتعبير أدق ، هذا هو التماثل بين قوانين الطبيعة في عالمنا. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فلا يزال من الممكن تنفيذ التحول ، لكنه لن يكون تناظرًا لعالمنا ، لأن العالم الذي تم الحصول عليه بعد التحول سيكون مختلفًا عن عالمنا.


التين. 1

من السهل إلى حد ما فهم كيفية عمل التكافؤ المكاني (P). قد يكون أو لا يكون لجسم معين تناظر التكافؤ. كما هو مبين في الشكل. 1 ، إن انعكاس المثلث في المرآة يعطينا مثلثًا مطابقًا للمثلث الأول ، بحيث يكون المثلث متماثلًا في التكافؤ. ولكن شكل أكثر تعقيدًا ، يظهر في أسفل الشكل. 1 ، لا يبدو بالضبط نفس بعد التفكير ، وبالتالي فهو غير متماثل في التكافؤ.

من الواضح أن عالمنا ليس متناظرًا في المرآة ، ويمكن رؤيته في أي صورة للطبيعة (انظر الشكل 2). ومع ذلك ، من الضروري التمييز بين تناظر الكائن وتماثل قوانين الطبيعة التي تحكم جميع الأشياء الممكنة. يمكن أن تكون العمليات الأساسية لفيزياء الجسيمات متناظرة ، مما يعني أنه لأي عملية يمكن أن تحدث في الطبيعة ، هناك عملية مرآة يمكن أن تحدث أيضًا (الشكل 2 ، أدناه).

ولكن اتضح أن العمليات الأساسية للطبيعة ليست متماثلة في P!


التين. 2

الحقيقة المذهلة هي أنه لا C ، ولا P ، ولا T ، ولا CP ، ولا CT ، ولا الكمبيوتر الشخصي هي تناظر الطبيعة. العمليات الرئيسية المعروفة للفيزياء قبل القرن العشرين - على وجه الخصوص ، بما في ذلك التفاعلات التثاقلية والكهرومغناطيسية ، أي كل تلك التي تربط الأرض معًا وتحافظ على مدارها حول الشمس ، وتلك التي تتحكم في فيزياء الذرات والجزيئات وجميع الكيمياء - متناظرة في لقد تفاجأ علماء الفيزياء تمامًا عندما اكتشفوا في الخمسينيات والستينيات أن التفاعل النووي الضعيف يكسر كل هذه التماثلات. التحول الوحيد الذي لا يزال يعتبر (لسبب وجيه) متناظر مع الطبيعة هو CPT.

لاحظ أنه إذا كان CPT متناظرًا ، فيجب أن تكون تأثيرات CP و T هي نفسها. نظرًا لأن هذا تناظر ، فإن تطبيق تحويل CPT يعيدك إلى نفس العالم الذي بدأت منه ، ولكن من المعروف أيضًا أنه إذا قمت بتطبيق تحويل T مرتين ، فستعود إلى نفس العالم الذي بدأت منه - مما يعني أن CP يجب أن يفعل نفس الشيء الذي يجعل T. نفس الشيء صحيح بالنسبة للأزواج CT و P ، و RT و C.

تحول CPT الجسيمات وتفاعلاتها في عالمنا إلى جسيمات مضادة وتفاعلاتها في عالم متحول والعكس صحيح. وبما أن كل نوع من الجسيمات في عالمنا يحتوي على جسيم مضاد (يحدث ذلك في حد ذاته) ، وبما أن كل تفاعل للجسيمات المختلفة له تفاعل مضاد مع الجسيمات المضادة (إذا جاز التعبير) ، فمن المعتقد أن هذا متناظر تمامًا. بتعبير أدق ، لأي عالم تطيع جزيئاته نظرية المجال الكمي ، الرياضيات المستخدمة في معادلات النموذج القياسي ، والتي تصف جميع الجسيمات والتفاعلات المعروفة ، يمكن إثبات أن CPT هو التناظر. (هل هذا صحيح بالنسبة لنظرية موحدة ، مثل نظرية الأوتار ، تجمع بين النظرية الكمومية للجاذبية مع القوى غير الجاذبية ، من الصعب القول ؛ لكن انتهاكات CPT لم يتم الحصول عليها بعد في التجارب).

C و P ليست متناظرة بسبب ضعف التفاعل النووي

حتى الخمسينيات من القرن العشرين ، كل ما عرفه الفيزيائيون - كل الكيمياء والفيزياء الذرية ، وكل تأثيرات الجاذبية والتفاعل الكهرومغناطيسي ، والموجات الضوئية وأسس النواة الذرية - كان يتوافق مع عالم متماثل في P. ولكن اتضح أن C و P ليسا تقريبًا قوانين الطبيعة. إنهم قلقون قدر الإمكان بسبب التفاعلات النووية الضعيفة.


التين. 3

في المثال الأبسط (ولكن ليس الوحيد) ، تشارك النيوترينوات. عندما يظهر النيوترينو في عملية فيزيائية ، يتم إنشاؤه دائمًا باستخدام تفاعل نووي ضعيف. وعندما يحدث ذلك ، يدور دائمًا عكس اتجاه عقارب الساعة من وجهة نظر المراقب ، الموجود في النقطة التي يأتي منها. (النيوترينوات ، مثل الإلكترونات والبروتونات والعديد من الجسيمات الأخرى ، بمعنى أنها تدور دائمًا ؛ وبشكل أدق ، لديهم دائمًا عزم دوران). بمعنى آخر ، يدور مثل المسمار الأيسر (الشكل 3). (في المصطلحات سيكون لديه سلبية حلزونية). لكن النيوترينو الناتج عن التفاعل النووي الباهت لا يدور مثل المسمار الأيمن. بما أن P قد يتبادل الأماكن اليمنى واليسرى (كما في المرآة) ، فإن هذا يعني أن التفاعل النووي الضعيف ينتهك R.

في مثال أكثر تحديدًا (الشكل 3) ، عندما يتحلل بيون ذو شحنة موجبة (هيدرون يتكون من كوارك علوي ، كوارك مضاد للانخفاض والعديد من gluons وأزواج الكوارك / antiquark) إلى antimuon و neutrino ، يكون النيوترينو دائمًا أعسرًا ولا يستخدم اليد اليمنى أبدًا. هذا ينتهك R. وعندما يتحلل بيون ذو شحنة سالبة إلى الميون ومضاد للنترينو ، يكون مضادات النيترينو دائمًا في اليد اليمنى. هذا الاختلاف في العمليات ، بما في ذلك الفاوانيا السلبية والإيجابية ، ينتهك C.

انتهاك P و C من هذا النوع مفهوم الآن تمامًا. يتضمن النموذج القياسي (المعادلات التي نستخدمها لوصف جميع الجسيمات والتفاعلات المعروفة) بطريقة طبيعية إلى حد ما ، وتم التحقق من تفاصيل المعادلات بعناية في التجارب. لذا ، على الرغم من أن انتهاكات P و C جاءت كمفاجأة كبيرة في الخمسينيات ، إلا أنها اليوم جزء قياسي من فيزياء الجسيمات.

ومع ذلك ، إذا نظرنا إلى الجسيمات نفسها (ولم ندخل في تفاصيل تفاعلاتها) ، فإن SR (مثل RS) للوهلة الأولى يبدو متناظرًا. هذا لأن P يحول دوران النيوترينو من اليسار إلى اليمين ، لكن C يعكس شحنة البيون ، ويحول الأنتيمون إلى ميون ، ويستبدل النيوترينو بمضاد نيوترينو ؛ تتم العملية النهائية في عالمنا (الشكل 4). لذا لبعض الوقت ، اعتقد الفيزيائيون أن التفاعل النووي الضعيف سيحافظ على SR ، على الرغم من أنه ينتهك كل من C و R.

طريقة أخرى لمعرفة ذلك هي قراءة مقالتي حول كيف ستبدو الجسيمات إذا كان حقل هيجز صفرًا. يمكن ملاحظة أنه ، على سبيل المثال ، يتم اقتران جسيمات يسار الإلكترون ويسار النيوترينو ويخضعان لعمل تفاعل الأيزوسبين الضعيف ، وجسيم الإلكترون الأيمن منفصل عن جزيء النيوترينو الأيمن ، ولا يخضع أي منهما لتفاعل الأيزوسبين الضعيف. علاوة على ذلك ، فإن ما ينطبق على جسيم الإلكترون الأيمن ينطبق أيضًا على جسيم يمين البوزيترون ، وما ينطبق على جسيم يمين البوزيترون ينطبق على يسار الإلكترون. لكن P يغير جسيمات يسار الإلكترون واليمين الإلكترون ، لذلك من الواضح أن هذا ليس تناظرًا ؛ يغير C الإلكترون يسارًا وبوزيترون يسارًا ، وبما أن الجسيم الأيسر بوزيترون لا يتأثر بالتفاعل الضعيف ، فإن C ليس تناظرًا أيضًا. ومع ذلك ، فإن CP يغير جسيمات يسار الإلكترون واليمين البوزيتروني ، وكلاهما عرضة لتفاعل نووي ضعيف.


التين. 4

CP هو أيضا ليس التماثل

ولكن في الستينيات ، اتضح أن SR منزعج أيضًا من التفاعل النووي الضعيف. جاء هذا مرة أخرى كمفاجأة ومفهومة اليوم ، ولكن لا يزال يتم استكشافها من قبلنا. هنا قصة قصيرة.

تتحلل معظم أنواع الهدرونات (الجسيمات المكونة من الكواركات ، والعلامات القديمة ، والغلوونات) على الفور تقريبًا من خلال تفاعل نووي قوي ، على فترات زمنية تقل عن تريليون من تريليون من الثانية. هادرون واحد ، بروتون ، مستقر. النيوترون نفسه يعيش 15 دقيقة. (غالبًا ما تسمى النوى الذرية المكونة من البروتونات والنيوترونات بالهادرونات ، لكنني شخصيًا أفضل أن أسميها "مجموعات من الهدرونات"). ولكن بالنسبة للعديد من الحضارات ذات الأهمية التاريخية والعملية ، فإن العمر ، على الرغم من صغره ، ليس جيدًا جدًا - في مكان ما من جزء من المليار من تريليون من الثانية إلى المليار من الثانية - ومعظمها يتحلل بسبب ضعف التفاعل النووي (البعض الآخر تسوس من خلال التفاعل الكهرومغناطيسي). وفي بعضها - خاصة الميزونات التي تحتوي على كوارك سفلي واحد أو أنتيكوارك سفلي واحد - تم قياس تحلل انتهاك SR. هناك علامات أخرى على انتهاك CP في التذبذبات بين هادرون ، على غرار تذبذبات النيوترينو.

هذا النوع من انتهاك CP هو مثير للاهتمام لأنه يحدث بشكل طبيعي حيث يوجد ثلاثة أو أكثر من الروائح أو الأجيال من الكواركات العلوية (العلوية والسحرة والحقيقية) وثلاث روائح من الكواركات السفلية (السفلى والغريبة والساحرة). كما أشار كوباياشي وماسكوا ، في نسخة من النموذج القياسي تحتوي على جيلين فقط ، لا يمكن أن يكون هناك مثل هذا الانتهاك SR. يجب أن يكون لديه سبب مختلف تمامًا. نظرًا لأنهم لاحظوا ذلك في وقت أبكر بكثير من اكتشاف الجيل الثالث من الجسيمات ، فقد توقعوا في الواقع وجود الجيل الثالث ، الذي حصلوا عليه لاحقًا جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2008 (جنبًا إلى جنب مع نامبو لعمله العظيم في مجالات أخرى).

حتى الآن ، لا توجد علامات لانتهاك CP لها طبيعة مختلفة عن طبيعة كوباياشي وماسكوا. ولكن إذا كانت هناك جزيئات وتفاعلات غير تلك التي يعرفها لنا النموذج القياسي ، فقد تكون هناك ظروف أخرى يتم فيها انتهاك CP.

ومع ذلك ، حتى داخل النموذج القياسي ، هناك لغز كبير واحد.

تفاعل نووي قوي و SR

من غير المتوقع جدًا أن لا تنزعج SR بشكل كبير من التفاعل النووي القوي ، ولا أحد يعرف سبب ذلك. نحن نعلم أن التفاعل القوي لا ينتهك الشبكة الفائقة إلى حد كبير بسبب خاصية معينة للنيوترون ، تُعرف باسم لحظة ثنائي القطب الكهربائي .

النيوترون هيدرون متعادل كهربائيا مشابه جدا للبروتون. الكواركات ، الآثار القديمة ، والغلوونات التي يتكون منها النيوترون متماسكة معًا من خلال تفاعل نووي قوي. يمكن طرح سؤال مثير للاهتمام حول أي لحظة محايدة كهربائيًا - هل يحتوي على ثنائي القطب الكهربائي.

المغناطيس الذي استخدمته للعب كطفل هو ثنائي القطب المغناطيسي الذي يحتوي على القطب الشمالي والجنوبي (الشكل 5). سيكون القطب المغناطيسي هو القطب الشمالي أو الجنوبي ؛ لكنك لم تر هذا من قبل ، ولم يره أحد. يحتوي ثنائي القطب الكهربائي على شحنة كهربائية صفرية ، ولكن من ناحية لديه شحنات إيجابية ، ومن ناحية أخرى ، سلبية. قد تكون هذه حالة بسيطة مثل ذرة الهيدروجين ، مع وجود إلكترون في دور شحنة سالبة وبروتون في دور الموجب.

بالنسبة إلى ثنائي القطب الكهربائي البسيط ، الذي يتكون من شحنتين مفصولتين بمسافة D ، أحدهما له شحنة q ، والآخر -q ، يتم تعريف لحظة ثنائي القطب الكهربائي ببساطة على أنها q × D. لاحظ أنه إذا كانت الشحنة الموجبة والسالبة تقع في مكان واحد ، ثم ليس لهذا الجسم لحظة ثنائي القطب ؛ يجب فصل الشحنات في الفضاء بحيث "تستقطب". عادة لا تكون ذرة الهيدروجين مستقطبة. لكن العديد من الجزيئات لها لحظة ثنائية القطب ، على الرغم من أنها محايدة كهربائيًا. على سبيل المثال ، يحتوي جزيء الماء H ₂ O على لحظة ثنائي القطب تبلغ 3.9 × 10 ^-8 e سم ، حيث تكون "e" شحنة البروتون (e هي شحنة الإلكترون) ، و cm هي 1 سم. للمقارنة ، هذا أقل بقليل من ما يمكن الحصول عليه عن طريق تمييع الإلكترون والبروتون على مسافة تساوي تقريبًا حجم جزيء الماء (بالنسبة لمثل هذا ثنائي القطب ، ستكون لحظة ثنائي القطب من 9 × 10 ^-8 هـ سم). هذا يشير إلى أن إلكترون ذرتين هيدروجين في H ₂ O يقضيان الكثير من الوقت مع ذرة الأكسجين.


التين. 5

كيف يمكن أن تكون لحظة ثنائي القطب النيوتروني؟ يبلغ نصف قطر النيوترون من 10 إلى ¹³ سم ، لذلك يتوقع المرء أن يكون D هو نفسه تقريبًا. وتتكون من الكواركات والقطع الأثرية والغلوونات ؛ الغلوونات محايدة كهربائيًا ، لكن الكواركات والعلامات القديمة لها شحنات كهربائية: 2/3 e (الكوارك العلوي) ، –1/3 e (الكوارك السفلي) ، –2/3 e (antiquark العلوي) و +1/3 e (antiquark السفلي) ) لذلك يتوقع المرء أن تكون q مثل هذا. اتضح أن المرء يتوقع أن يكون حجم عزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون في حدود ^10-13 سم ، وهذا أصغر مليون مرة من عزم ثنائي القطب لجزيء الماء ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن نصف قطر النيوترون أقل من مليون مرة.

في الواقع ، تعطينا بعض التأثيرات غير الواضحة تقديرًا لحجم أصغر. التوقع الحقيقي في منطقة ^10-15 سم.

ولكن إذا كان النيوترون يحتوي على لحظة ثنائية القطب الكهربائية ، فهذا من شأنه أن ينتهك T ، وبالتالي CP ، إذا كان يمكن اعتبار CPT على الأقل تناظرًا تقريبيًا (وهذا ينتهك أيضًا P). لذا ، إذا كان CP و CPT متماثلان تمامًا ، فيجب أن يكون ثنائي القطب النيوتروني الكهربائي صفرًا.

بالطبع ، نحن نعلم بالفعل أن CP ليس تناظرًا دقيقًا. يتم كسرها بسبب تفاعل نووي ضعيف. لكن التفاعل الضعيف ضعيف جدًا (على الأقل فيما يتعلق بالنيوترونات) لدرجة أنه يمكن أن يمنح النيوترون لحظة ثنائية القطب من 10 إلى ³² سم ، وهذا أقل بكثير مما يمكننا قياسه! لذلك ، لأغراضنا ، يمكن اعتباره صفرًا.

ولكن إذا كان التفاعل القوي الذي يمسك النيوترون معًا ينتهك الشبكة الفائقة ، فإننا نتوقع أن يكون حجم عزم ثنائي القطب الكهربائي ^10-15 سم ، ومع ذلك ، تُظهر التجربة أن عزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون أقل من 3 × 10 ^-26 هـ سم! هذا عشرة آلاف مليون مرة أقل مما كان متوقعا. لذلك ، فإن التفاعل النووي القوي لا ينتهك الشبكة الفائقة بقوة كما هو متوقع.

لماذا هو أقل من المتوقع؟ لا أحد يعرف ، على الرغم من وجود العديد من الافتراضات. يُطلق على هذا اللغز مشكلة CP القوية وهي واحدة من أكبر ثلاث مشكلات تصيب فيزياء الجسيمات ، إلى جانب مشكلة التسلسل الهرمي ومشكلة ثابت الكونية .

على وجه التحديد ، كانت المشكلة على النحو التالي. إذا قمت بتدوين نظرية التفاعل النووي القوي - معادلات الجلوونات ، والكواركات والعلامات القديمة ، التي تسمى QCD - فستكون لهذه المعادلات معلمات مختلفة ، وهي:

• القوة الموحدة للتفاعل النووي القوي ،
• كتل من الكواركات المختلفة ،
• زاوية ثيتا ، التي لا تؤثر على مخططات فاينمان ، ولكنها مع ذلك تحدد تأثيرات العمليات الدقيقة المختلفة (نفق الكم ، اللحظات ، الجسيمات الكاذبة ) لفيزياء الغلوون .

توقف ماذا؟ ما هو هذا العنصر الأخير؟ حسنًا ، تم اكتشاف معلمة QCD الاختيارية في السبعينيات (هذه إحدى المناطق التي اشتهر فيها ألكسندر بولياكوف ، الذي فاز بالجائزة مؤخرًا). المشكلة نفسها ذات طبيعة تقنية للغاية بحيث لا يمكن وصفها هنا ، ولكن يكفي أن نقول أنه إذا كانت زاوية ثيتا ليست 0 أو π ، فإن التفاعل النووي القوي ينتهك الشبكة الفائقة. بتعبير أدق ، ينتهك CP CP مجموعة معينة من زاوية ثيتا وكتل الكواركات المختلفة (على وجه التحديد ، نتاج المراحل المعقدة لكتلها). وهاتان المعلمتان (زاوية ثيتا وكتل الكوارك) ليس لها اتصال واضح - فكيف تتحد بحيث يتم تعويضها بشكل مثالي؟ ومع ذلك ، لسبب ما ، فإن توليفتها هي صفر ، أو أصغر بعشرة مليارات مرة على الأقل مما يمكن أن تكون. لا توجد أسباب واضحة لذلك.

يمكن إعطاء التفسيرات التالية لهذا اللغز ، ما يقرب من 40 عامًا:

• ربما ليس للكوارك العلوي أي كتلة (من الصعب جدًا التحقق من ذلك ، لأنه لا يمكن قياسه بشكل مباشر ؛ لطالما كانت الطرق غير المباشرة تقول أن كتلته هي عدة أضعاف كتلة الإلكترون ، ولكن بعض التفاصيل الدقيقة لا تسمح لنا بتفسير هذه الأساليب بشكل مؤكد).
• ربما يوجد مجال محوري يزيل هذا التأثير ؛ تتنبأ هذه الفكرة بوجود جسيم محوري ، تم البحث عنه لأكثر من 30 عامًا ، ولكن لم يتم العثور عليه بعد.بالمناسبة ، يمكن أن يلعب Axion دور المادة المظلمة للكون.

هناك عدد من الحلول الممكنة الأخرى لهذه المشكلة ، لكنني لن أصفها هنا ؛ لسوء الحظ ، بشكل عام ، ليس لديهم أي نتائج تجريبية واضحة يمكن التحقق منها في المستقبل القريب.