Kršitev simetrije CP v naravi

Samo Stanič, Univerza v Novi Gorici
Ena izmed nerešenih ugank narave je primanjkljaj antimaterije v vesolju - sestoji se namreč izključno iz materije. Po splošno sprejeti teoriji Velikega poka, ki pojasnjuje njegov razvoj od trenutka po nastanku pa do danes [1], bi moralo biti v vesolju (vsaj na začetku) prav toliko materije kot antimaterije - vendar meritve kažejo, da danes antimaterije v naravi praktično ni. Predpostavimo torej lahko, da je morala vsa ta antimaterija nekje v procesu razvoja vesolja na nek način izginiti, oziroma razpasti.

Naravni zakoni so v splošnem invariantni na simetrijske operacije konjugacije naboja (+ in -), obrata parnosti (sprememba orientacije prostorskih koordinat x,y,z) in obrata časa, ki jih ponavadi označimo z C, P in T. Potrebni pogoj za nastanek opaženega nesorazmerja med količino materije in antimaterije v vesolju je kršitev kombinirane simetrije CP pri zakonih, ki uravnavajo interakcije med najmanjšimi gradniki narave, t.i. osnovnimi delci. Simetrija CP je, kratko povedano, simetrija fizikalnih zakonov na zamenjavo delcev z antidelci.
Za primer si oglejmo obrat časa: film, ki kaže kamen med letom lahko zavrtimo bodisi naprej ali pa nazaj, pa oboje kaže povsem možen fizikalni proces, ki ga uravnava isti fizikalni zakon. Pravimo torej, da je ta zakon invarianten na obrat časa, oziroma, da se pri njem ohranja simetrija T.

Do 1964, ko so prvič izmerili majhno kršitev CP pri procesu mešanja nevtralnega mezona K0 in njegovega antidelca [2] je prevladovalo mnenje, da so vsi fizikalni zakoni, ki uravnavajo interakcije med osnovnimi delci (kvarki in leptoni), invariantni na CP. Omenjena meritev je bila motivacija, da so leta 1973 Standardni model osnovnih delcev in interakcij med njimi dopolnili [5], tako da je lahko pojasnil izmerjeno kršitev CP pri mezonih K. Leta 2001 so v precej zahtevnejšem eksperimentu prvič opazili tudi direktno kršitev CP pri razpadih mezonov K0 [3,4]. Najnatančnejše meritve je opravila mednarodna kolaboracija CPLEAR, v kateri je sodelovalo več slovenskih raziskovalcev.

Še več, dopolnjeni model je poleg že znanih lahkih kvarkov u,d,s in c napovedal obstoj takrat še nepoznanih masivnejših kvarkov b in t ter veliko kršitev simetrije CP pri mezonih B (delcih, ki vsebujejo kvark b in še en izmed lažjih kvarkov), vendar je zaradi težavnosti eksperimenta meritev kršitve simetrije CP pri mezonih B bila mogoča šele leta 2001 [6,7]. Pri kolaboraciji Belle, ki je izpeljala do sedaj najnatančnejše meritve, sodelujemo že od 1999. Te meritve so potrdile veliko kršitev CP, v skladu s teoretskimi napovedmi, spet pa so bile povezane z mešanjem med nevtralnim mezonom B0 in njegovim antidelcem.

Reference

  1. A.D. Sakharov, Pis'ma Z. Exp. Teor. Fiz. 5, 32 (1967) and JTEP Lett. 5, 24 (1967).
  2. J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch, R. Turlay, Phys. Rev. Lett. 13, 138 (1964).
  3. A. Alvi-Harati et al. (kTeV Collaboration), Phys. Lett. 83, 22 (1999).
  4. V. Fanti et al. (NA48 Collaboration), Phys. Lett. B465, 335 (1999).
  5. M. Kobayashi, T. Maskawa, Prog. Theor. Phys. 49, 652 (1973).
  6. B. Aubert et al. (BaBar Collaboration), Phys. Rev. Lett. 87, 091801 (2001).
  7. K. Abe et al. (Belle Collaboration), Phys. Rev. Lett. 87, 091802 (2001).