CP-symmetri – Store norske leksikon

CP-symmetri er et begrep som brukes i fysikk om en kombinasjon av ladningssymmetri (C) og speilingssymmetri (P).

Faktaboks

Etymologi: av engelsk charge, ‘ladning’, og parity, ‘paritet’

I elektromagnetiske vekselvirkninger, gravitasjon og sterk vekselvirkning (kjernekrefter, kvark-gluon vekselvirkning) er de dynamiske likningene symmetriske både under en ladningstransformasjon (der alle ladninger bytter fortegn) og en speilingstransformasjon (der posisjon og fart for partiklene bytter fortegn). Slik er det ikke i svake vekselvirkninger (svake kjernekrefter), som for eksempel i beta-henfall, der et nøytron (gjerne inni en kjerne) henfaller (går sund, omdannes) til et proton, et elektron og et (anti-elektro-) nøytrino. Her er både ladningssymmetri og speilingssymmetri brutt.

CP-symmetri i svake vekselvirkninger

Selv om ladnings- og speilingssymmetri brytes ved svake vekselvirkninger, mente en før 1964 at den kombinerte symmetrien skulle være gyldig. Det vil si at dersom en tok utgangspunkt i en svak prosess som beta-henfall, så skulle en få en like sannsynlig prosess ved å gjøre en speiling og en ladningstransformasjon samtidig. Dette sees også i desintegrasjon av ladde pi-mesoner, der prosessen \(\pi^- \rightarrow \mu^- \, \overline{\nu_\mu } \) har en like stor sannsynlighet som \(\pi^+ \rightarrow \mu^+ \, \nu_\mu \) .

Brudd på CP-symmetri

Seinere (i 1964) fant en at CP-symmetrien ikke er helt eksakt, idet en fant brudd på CP-symmetrien når nøytrale K-mesoner desintegrerer til to pi-mesoner (π). I utgangspunktet finns det to nøytrale K-mesoner, et K⁰ som inneholder en d-kvark og en anti s-kvark, og et anti K⁰ som inneholder en s-kvark og en anti d-kvark. Men i svak vekselvirkning kan en ved utveksling av to W -bosoner oppnå at K⁰ går til et anti-K⁰. De fysiske partiklene, kalt K_L og K_S blir dermed ei blanding av K⁰ og anti-K⁰. Og: prosessen K⁰ --> anti-K⁰ er CP-brytende. Dermed blir den enkle prosessen K_L --> 2 π CP-brytende. (subskrift L står for engelsk long og S for short, fordi K_L har lengre levetid enn K_S)

I 1999 påviste en eksperimentelt (på Fermilab. og ved CERN) at bruddet på CP-symmetri er litt forskjellig når et nøytralt K-meson henfaller til to elektrisk nøytrale pi-mesoner, sammenlikna med to ladde pi-mesoner (ett med ladning pluss og ett med ladning minus). Denne effekten kan, iallfall et stykke på vei, forklares innafor standardteorien for elektrosvak- og sterk vekselvirkning (standardmodellen). Det er foreløpig uklart om det i tillegg trengs (hittil hypotetisk) ny fysikk utover standardmodellen for å forklare denne effekten.

I 2001 ble det påvist brudd på CP-symmetri ved henfall av B-mesoner (ved SLAC og Fermilab i USA og ved KEK i Japan). B-mesoner inneholder en b-kvark (eller anti b-kvark) og i tillegg lettere (anti-) u,d,eller s-kvark. For desintegrasjon av D -mesoner har en ennå ikke (desember 2016) sett CP-brudd (D-mesoner inneholder c-kvark (eller anti c-kvark) og i tillegg lettere (anti-) u,d,eller s-kvark).

CPT-symmetri

I 1999 ble det også påvist på CERN et direkte brudd på T-symmetri (se tidsreversjon) ved desintegrasjon (henfall, sundfall) av nøytrale K-mesoner. En går ut i fra at kombinasjonen CPT er en gyldig symmetri (all kvantefeltteori bygger på dette). I så fall vil et CP-brudd indirekte implisere T-brudd. Men brudd på T-symmetri er altså påvist direkte.

Elektrisk og magnetisk dipolmoment

En konsekvens av bruddet på CP -symmetri er at fermioner vil ha et elektrisk dipolmoment . Dette er en svært liten effekt (utstrakte ladningsfordelinger som molekyler kan ha et elektrisk dipolmoment uten at dette bryter CP-symmetri). Mens et nøytron har et magnetisk dipolmoment av størrelsesorden ett kjernemagneton , har en funnet eksperimentelt at et elektriske dipolmoment for nøytronet må være mindre enn \(10^{-12}\) kjernemagnetoner.

Innafor standardmodellen for elementærpartikkelfysikk viser teoretiske beregninger at det elektriske dipolmomentet for nøytronet er av størrelsesorden \(10^{-17}\) kjernemagnetoner. Om det elektriske dipolmomentet til nøytronet måles til å være større enn dette, er det et signal om at det finns «ny fysikk» utover standardmodellen, det vil si at standardmodellen må suppleres , for eksempel med nye partikler og vekselvirkninger.

CP-brudd ved big bang

Et opplagt brudd på CP-symmetri ser vi fordi universet består av (nesten) bare materie. En regner med at det ved big bang ble skapt like mye antimaterie som materie, men at antimaterien annihilerte mot materie og at materien vi ser nå er et overskudd av materie som skyldes CP-brytende effekter. Den russiske fysikeren Andrej Sakharov (han som fikk Nobels fredspris i 1975) formulerte i 1967 fire vilkår for at universet skulle ha utvikla en ubalanse mellom materie og antimaterie like etter big bang:

Det måtte ha vært brudd på baryontall (B).
Det måtte ha vært brudd på C-symmetri.
Det måtte ha vært brudd på CP-symmetri.
I tillegg måtte brudd på disse symmetriene ha skjedd samtidig som en termisk ustabilitet.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

Fagansvarlig for Elementærpartikkelfysikk

Are Raklev

Professor i fysikk, Universitetet i Oslo