Simetri C, P, T (dan kombinasi keduanya)

Pada abad ke-20, para ahli fisika partikel menemukan bahwa sangat penting untuk memperhitungkan semua kemungkinan simetri yang dapat ditunjukkan oleh hukum alam yang mengatur partikel elementer. Ada atau tidak adanya simetri dapat mengungkapkan kepada kita aspek-aspek alam yang sebaliknya tidak jelas.

Dari sekian banyak kemungkinan simetri, tiga dapat memainkan peran unik: konjugasi muatan (C), paritas spasial (P), dan simetri sehubungan dengan pembalikan waktu (T). Tiga dari transformasi ini, yang mempengaruhi partikel, ruang, dan waktu, termasuk:

• C: mengganti semua partikel dengan partikel bermuatan berlawanan (baik muatan listrik dan muatan yang kurang dikenal; bahkan beberapa partikel netral diganti. Misalnya, neutrino berubah menjadi antineutrino, dan neutron menjadi antineutron).
• P: menempatkan dunia di cermin (lebih tepatnya, mengubah orientasi tiga dimensi ke arah yang berlawanan).
• T: meluncurkan dunia dalam arah waktu yang berlawanan (lebih tepatnya, mengubah arah evolusi temporal).

Setiap transformasi ini memiliki properti yang jika Anda lakukan dua kali, Anda akan kembali ke keadaan semula. Dalam jargon, kita mengatakan bahwa P ² = P × P = 1 (yaitu, jika Anda meletakkan cermin di cermin, apa yang Anda lihat akan terlihat sama seperti jika tidak ada cermin), dan, sama halnya, C ² = 1 dan T ² = 1.

Selain itu, Anda dapat melakukan dua konversi bersama. Misalnya, Anda dapat membuat C, dan kemudian P, yang kami tulis sebagai "CP" (atau Anda dapat membuat PC, akan sama - untuk transformasi ini urutannya tidak masalah), di mana Anda meletakkan dunia di cermin dan mengubah muatan partikel. Anda dapat mempertimbangkan CT, PT, dan bahkan CPT. Seperti halnya C, P dan T sendiri, kombinasi-kombinasi ini, bila dilakukan dua kali, akan mengembalikan semuanya seperti semula.

Dan apa yang kita lakukan dengan transformasi ini? Kita perlu mengajukan pertanyaan: jika kita membayangkan sebuah dunia diciptakan dari kita menggunakan salah satu dari transformasi, akankah hukum alam di dalamnya, yang mengatur partikel dan interaksi elementer, bekerja dengan cara yang sama seperti di kita?

Jika jawabannya adalah ya, maka segala sesuatu yang dapat terjadi di dunia yang baru dan berubah dapat terjadi di dunia kita; dalam hal ini kita mengatakan bahwa transformasi ini adalah simetri dunia kita. Lebih tepatnya, ini adalah simetri dari hukum alam dunia kita. Jika tidak, maka transformasi masih dapat dilakukan, tetapi itu tidak akan menjadi simetri dari dunia kita, karena dunia yang diperoleh setelah transformasi akan berbeda dari kita.


Fig. 1

Cukup mudah untuk memahami bagaimana paritas spasial (P) bekerja. Objek tertentu mungkin atau mungkin tidak memiliki simetri paritas. Seperti yang ditunjukkan pada gambar. 1, pantulan segitiga di cermin memberi kita segitiga identik dengan yang pertama, sehingga segitiga akan simetris dalam paritas. Namun bentuk yang lebih kompleks, ditunjukkan di bagian bawah ara. 1, tidak terlihat persis sama setelah refleksi, oleh karena itu asimetris dalam paritas.

Jelas, dunia kita tidak simetris di cermin, ini dapat dilihat pada foto alam mana pun (lihat Gambar 2). Namun, perlu untuk membedakan antara simetri objek dan simetri hukum alam yang mengatur semua objek yang mungkin. Proses dasar fisika partikel dapat simetris, yang berarti bahwa untuk setiap proses yang dapat terjadi di alam, ada proses cermin yang juga dapat terjadi (Gbr. 2, di bawah).

Tetapi ternyata proses dasar alam tidak simetris dalam P!


Fig. 2

Fakta yang mencolok adalah bahwa baik C, P, P, T, CP, CT, PC tidak simetri alam. Proses utama yang diketahui fisika sebelum abad kedua puluh - khususnya, termasuk interaksi gravitasi dan elektromagnetik, yaitu, semua yang menyatukan Bumi dan mempertahankan orbitnya mengelilingi Matahari, dan yang mengendalikan fisika atom dan molekul serta semua kimia - simetris dalam S, P, dan T. Jadi fisikawan cukup terkejut ketika pada 1950-an dan 1960-an mereka menemukan bahwa interaksi nuklir yang lemah menghancurkan semua simetri ini. Satu-satunya transformasi yang masih dianggap (untuk alasan yang baik) simetris dengan alam adalah CPT.

Perhatikan bahwa jika CPT simetri, maka efek CP dan T harus sama. Karena ini simetri, menerapkan transformasi CPT akan membawa Anda kembali ke dunia yang sama dengan tempat Anda memulai, tetapi juga diketahui bahwa jika Anda menerapkan transformasi T dua kali, Anda akan kembali ke dunia yang sama dengan tempat Anda memulai - yang berarti CP harus melakukan hal yang sama yang membuat T. Hal yang sama berlaku untuk pasangan CT dan P, dan untuk RT dan C.

CPT mengubah partikel dan interaksinya di dunia kita menjadi antipartikel dan interaksinya dalam dunia yang ditransformasikan, dan sebaliknya. Dan, karena di dunia kita, setiap jenis partikel memiliki antipartikel (kebetulan memang demikian), dan karena setiap interaksi partikel yang berbeda memiliki anti-interaksi dengan antipartikel (dapat dikatakan), diyakini bahwa ini adalah simetris sempurna. Lebih tepatnya, untuk setiap dunia yang partikelnya mematuhi teori medan kuantum, matematika yang digunakan dalam persamaan Model Standar, yang menggambarkan semua partikel dan interaksi yang diketahui, dapat dibuktikan bahwa CPT simetri. (Apakah ini benar untuk teori pemersatu, seperti teori string, menggabungkan teori gravitasi quantum dengan gaya non-gravitasi, sulit dikatakan; tetapi pelanggaran CPT belum diperoleh dalam eksperimen)

C dan P tidak simetri karena interaksi nuklir yang lemah

Hingga tahun 1950-an, segala sesuatu yang diketahui oleh fisikawan - semua kimia dan fisika atom, semua efek gravitasi dan interaksi elektromagnetik, gelombang cahaya dan dasar-dasar inti atom - berhubungan dengan sebuah simetris dunia dalam P. Tetapi ternyata C dan P hampir tidak simetri. hukum alam. Mereka terganggu sesering mungkin oleh interaksi nuklir yang lemah.


Fig. 3

Dalam contoh paling sederhana (tetapi bukan satu-satunya), neutrino terlibat. Ketika neutrino muncul dalam proses fisik, ia selalu dibuat menggunakan interaksi nuklir yang lemah. Dan ketika itu terjadi, selalu berputar berlawanan arah jarum jam dari sudut pandang pengamat, yang terletak di titik di mana ia berasal. (Neutrino, seperti elektron dan proton dan banyak partikel lainnya, dalam arti selalu berputar; lebih tepatnya, mereka selalu memiliki torsi). Dengan kata lain, itu berputar seperti sekrup tangan kiri (Gbr. 3). (Dalam jargon dia akan memiliki helicity negatif). Tetapi neutrino yang dihasilkan oleh interaksi nuklir samar tidak pernah berputar seperti sekrup tangan kanan. Karena P akan bertukar tempat tangan kanan dan kidal (seperti di cermin), ini berarti interaksi nuklir yang lemah melanggar R.

Dalam contoh yang lebih spesifik (Gbr. 3), ketika pion bermuatan positif (hadron yang terdiri dari kuark atas, kuark anti-rendah dan banyak gluon dan pasangan kuark / antarkark) meluruh menjadi antimuon dan neutrino, neutrino selalu kidal dan tidak pernah kidal. Ini melanggar R. Dan ketika pion bermuatan negatif meluruh menjadi muon dan antineutrino, antineutrino selalu tangan kanan. Perbedaan dalam proses ini, termasuk peoni yang bermuatan negatif dan positif, melanggar C.

Pelanggaran P dan C jenis ini sekarang cukup bisa dimengerti. Model Standar (persamaan yang kami gunakan untuk menggambarkan semua partikel dan interaksi yang diketahui) memasukkannya dengan cara yang cukup alami, dan detail persamaan diverifikasi dengan cermat dalam percobaan. Jadi, meskipun pelanggaran P dan C datang sebagai kejutan besar pada 1950-an, hari ini mereka adalah bagian standar dari fisika partikel.

Namun, jika kita melihat partikel itu sendiri (dan tidak masuk ke detail interaksi mereka), SR (sama seperti RS) pada pandangan pertama tampak simetris. Ini karena P mengubah neutrino berputar dari kiri ke kanan, tetapi C membalikkan muatan pion, mengubah antimuon menjadi muon, dan mengganti neutrino dengan antineutrino; proses terakhir terjadi di dunia kita (Gbr. 4). Jadi untuk beberapa waktu, fisikawan percaya bahwa interaksi nuklir yang lemah akan melestarikan SR, meskipun secara individual itu melanggar C dan R.

Cara lain untuk melihat ini adalah dengan membaca artikel saya tentang bagaimana partikel akan terlihat jika bidang Higgs nol. Dapat dilihat bahwa, misalnya, partikel elektron-kiri dan neutrino-kiri berpasangan dan tunduk pada aksi interaksi isospin yang lemah, dan partikel kanan-elektron terpisah dari yang neutrino-kanan, dan tidak ada dari mereka yang mengalami interaksi isospin yang lemah. Selain itu, apa yang benar untuk partikel kanan-elektron juga berlaku untuk partikel kanan-positron, dan apa yang benar untuk partikel kanan-kanan adalah benar untuk kiri-elektron. Tetapi P mengubah partikel elektron-kiri dan elektron-kanan, jadi jelas ini bukan simetri; C mengubah elektron kiri dan kiri positron, dan karena partikel kiri positron tidak terpengaruh oleh interaksi yang lemah, C juga bukan simetri. Namun, CP mengubah partikel elektron-kiri dan kanan-positron, dan keduanya mengalami interaksi nuklir yang lemah.


Fig. 4

CP juga tidak simetri

Tetapi pada 1960-an, ternyata SR juga terganggu oleh interaksi nuklir yang lemah. Ini lagi datang sebagai kejutan, dapat dimengerti hari ini, tetapi masih dieksplorasi oleh kami. Berikut ini cerpennya.

Sebagian besar hadron (partikel yang terdiri dari quark, antiquarks, dan gluon) membusuk hampir secara instan melalui interaksi nuklir yang kuat, untuk waktu yang kurang dari satu per satu triliun per satu per satu. Satu hadron, proton, stabil; neutron itu sendiri hidup 15 menit. (Inti atom yang terdiri dari proton dan neutron juga sering disebut hadron, tetapi secara pribadi, saya lebih suka menyebutnya "set hadron"). Tetapi bagi beberapa hadron yang memiliki kepentingan historis dan praktis, masa hidupnya, walaupun kecil, tidak begitu baik - di suatu tempat dari sepersejuta dari sepersejuta detik hingga sepersejuta detik - dan kebanyakan dari mereka membusuk karena interaksi nuklir yang lemah (lainnya). pembusukan melalui interaksi elektromagnetik). Dan di beberapa dari mereka - terutama meson yang mengandung satu quark lebih rendah atau satu antiquark lebih rendah - peluruhan SR diukur. Tanda-tanda lain dari pelanggaran CP adalah osilasi antara dua hadron, mirip dengan osilasi neutrino.

Jenis pelanggaran CP ini sangat menarik karena terjadi secara alami di mana terdapat tiga atau lebih aroma atau generasi quark atas (atas, terpesona dan benar) dan tiga aroma quark lebih rendah (lebih rendah, aneh dan menawan). Seperti yang Kobayashi dan Maskawa tunjukkan, dalam versi Model Standar yang hanya berisi dua generasi, tidak mungkin ada pelanggaran terhadap SR; dia harus memiliki alasan yang sangat berbeda. Karena mereka mengamati ini jauh lebih awal daripada penemuan partikel generasi ketiga, mereka, pada kenyataannya, meramalkan perlunya keberadaan generasi ketiga, yang kemudian mereka dianugerahi Hadiah Nobel dalam bidang fisika pada tahun 2008 (bersama dengan Nambu untuk karya besarnya di bidang lain).

Sejauh ini, tidak ada tanda-tanda pelanggaran CP yang sifatnya berbeda dari Kobayashi dan Maskawa. Tetapi jika ada partikel dan interaksi selain yang diketahui oleh Model Standar, mungkin ada kondisi lain di mana CP dilanggar.

Namun, bahkan di dalam Model Standar, ada satu misteri besar.

Interaksi nuklir dan SR kuat

Sangat tidak terduga bahwa SR tidak secara signifikan terganggu oleh interaksi nuklir yang kuat, dan tidak ada yang tahu mengapa demikian. Kita tahu bahwa interaksi yang kuat tidak melanggar superlattice sangat banyak karena sifat tertentu dari neutron, yang dikenal sebagai momen dipol listrik .

Neutron adalah hadron yang netral secara listrik, sangat mirip dengan proton. Quark, antiquarks, dan gluon yang membentuk neutron disatukan oleh interaksi nuklir yang kuat. Sebuah pertanyaan menarik dapat diajukan tentang momen netral elektrik - apakah ada dipol listrik.

Magnet yang biasa Anda gunakan sebagai anak-anak adalah dipol magnetik yang memiliki kutub utara dan selatan (Gbr. 5). Monopole magnetik akan berupa kutub utara atau selatan; tetapi Anda belum pernah melihat ini, dan belum ada yang melihat. Dipol listrik memiliki muatan listrik nol, tetapi di satu sisi muatan listrik positif, dan di sisi lain, muatan negatif. Ini mungkin merupakan kasus sederhana seperti atom hidrogen, dengan elektron berperan sebagai muatan negatif dan proton dalam peran muatan positif.

Untuk dipol listrik sederhana, terdiri dari dua muatan yang dipisahkan oleh jarak D, satu di antaranya memiliki muatan q, dan yang lainnya -q, momen dipol listrik hanya didefinisikan sebagai q × D. Perhatikan bahwa jika muatan positif dan negatif berada di satu tempat, maka objek seperti itu tidak memiliki momen dipol; biaya harus dipisahkan dalam ruang sehingga "polarisasi". Atom hidrogen biasanya tidak terpolarisasi. Tetapi banyak molekul memiliki momen dipol, meskipun mereka netral secara listrik. Sebagai contoh, molekul air H ₂ O memiliki momen dipol 3,9 × 10 ^-8 e cm, di mana "e" adalah muatan proton (e adalah muatan elektron), dan cm adalah 1 sentimeter. Sebagai perbandingan, ini hanya sedikit kurang dari apa yang dapat diperoleh dengan mengencerkan elektron dan proton pada jarak kira-kira sama dengan ukuran molekul air (untuk dipol seperti itu momen dipol akan menjadi urutan 9 × 10 ^-8 e cm). Ini menunjukkan bahwa elektron dari dua atom hidrogen dalam H2O menghabiskan banyak waktu dengan atom oksigen.


Fig. 5

Seberapa besar momen dipol neutron? Jari-jari neutron berada pada urutan 10 ^-13 cm, jadi orang akan menduga bahwa D akan kira-kira sama. Dan itu terdiri dari quark, antiquarks dan gluon; gluon bersifat netral secara elektrik, tetapi quark dan antiquark memiliki muatan listrik: 2/3 e (kuark atas), –1/3 e (kuark bawah), –2/3 e (kuarter atas anti) dan +1/3 e (kuarter bawah lebih rendah) ) Jadi orang akan berharap q menjadi sesuatu seperti ini. Ternyata orang akan berharap bahwa besarnya momen dipol listrik neutron akan berada dalam 10 ^-13 e cm Ini adalah satu juta kali lebih kecil dari momen dipol dari molekul air, terutama karena jari-jari neutron kurang dari satu juta kali.

Bahkan, beberapa efek yang tidak jelas memberi kita perkiraan ukuran yang lebih kecil. Harapan sebenarnya adalah di wilayah 10 ^-15 e cm.

Tetapi jika neutron memiliki momen dipol listrik, ini akan melanggar T, dan karenanya CP, jika CPT dapat dianggap setidaknya perkiraan simetri (ini juga melanggar P). Jadi, jika CP dan CPT adalah simetri yang tepat, maka dipol neutron listrik harus nol.

Tentu saja, kita sudah tahu bahwa CP bukanlah simetri yang tepat; itu rusak oleh interaksi nuklir yang lemah. Tetapi interaksi yang lemah sangat lemah (setidaknya berkenaan dengan neutron) sehingga dapat memberikan neutron momen dipol elektron dari urutan 10 ^-32 e cm. Ini jauh lebih sedikit daripada yang bisa kita ukur! Jadi, untuk tujuan kita, itu bisa dianggap nol.

Tetapi jika interaksi kuat yang mengikat neutron bersama-sama melanggar superlattice, maka kami berharap bahwa besarnya momen dipol listrik akan menjadi 10 ^-15 e cm. Namun, percobaan menunjukkan bahwa momen dipol listrik neutron kurang dari 3 × 10 ^-26 e cm! Ini sepuluh ribu juta kali lebih sedikit dari yang diperkirakan. Oleh karena itu, interaksi nuklir yang kuat tidak melanggar superlattice sekuat yang diharapkan.

Mengapa itu sangat kurang dari yang diharapkan? Tidak ada yang tahu, meski sudah banyak asumsi. Teka-teki ini disebut masalah CP kuat dan merupakan salah satu dari tiga masalah terbesar yang mengganggu fisika partikel, bersama dengan masalah hierarki dan masalah konstanta kosmologis .

Secara khusus, masalahnya adalah sebagai berikut. Jika Anda menuliskan teori interaksi nuklir yang kuat - persamaan untuk gluon, quark dan antiquark, disebut QCD - maka persamaan ini akan memiliki parameter yang berbeda, yaitu:

• Kekuatan pemersatu interaksi nuklir yang kuat,
• massa quark yang berbeda,
• sudut theta, yang tidak mempengaruhi diagram Feynman, tetapi, bagaimanapun, menentukan efek dari berbagai proses halus (tunneling kuantum, seketika , partikel semu) dari fisika gluon.

Hentikan apa? Apa item terakhir ini? Ya, parameter QCD opsional ini ditemukan pada tahun 1970-an (ini adalah salah satu area di mana Alexander Polyakov , yang baru-baru ini memenangkan penghargaan, menjadi terkenal). Masalahnya sendiri terlalu teknis untuk dijelaskan di sini, tetapi cukup untuk mengatakan bahwa jika sudut theta bukan 0 atau π, maka interaksi nuklir yang kuat melanggar superlattice. Lebih tepatnya, CP melanggar kombinasi tertentu dari sudut theta dan massa berbagai quark (khususnya, produk dari fase kompleks massa mereka). Dan dua parameter ini (sudut theta dan massa quark) tidak memiliki koneksi yang jelas - jadi bagaimana mereka menggabungkan sehingga mereka dikompensasi dengan sempurna? Namun, untuk beberapa alasan, kombinasi mereka nol, atau setidaknya sepuluh miliar kali lebih kecil daripada yang seharusnya. Tidak ada alasan yang jelas untuk ini.

Penjelasan berikut dapat diberikan untuk teka-teki ini, hampir 40 tahun:

• mungkin kuark atas tidak memiliki massa (ini sangat sulit untuk diverifikasi, karena tidak dapat diukur secara langsung; metode tidak langsung telah lama mengatakan bahwa massanya beberapa kali massa elektron, tetapi beberapa seluk tidak memungkinkan kita untuk menafsirkan metode ini dengan kepastian yang lengkap).
• Mungkin ada bidang aksial yang menghilangkan efek ini; Gagasan ini meramalkan keberadaan partikel axion, yang telah dicari selama lebih dari 30 tahun, tetapi belum ditemukan.Omong-omong, omong-omong, juga bisa memainkan peran materi gelap Alam Semesta.

Ada beberapa kemungkinan solusi lain untuk masalah ini, tetapi saya tidak akan menjelaskannya di sini; Sayangnya, secara umum, mereka tidak memiliki konsekuensi eksperimental yang jelas yang dapat diverifikasi dalam waktu dekat.