CPT-інваріантність
Симетрія заряду, парності та напрямку часу — це фундаментальна симетрія фізичних законів при одночасних перетвореннях спряження заряду (C), перетворення парності (P) і обернення часу (T). CPT — це комбінація C, P і T, яка вважається точною симетрією природи на фундаментальному рівні. [1] [2] Теорема CPT говорить, що CPT-симетрія виконується для всіх фізичних явищ, або, точніше, що будь-яка Лоренц-інваріантна локальна квантова теорія поля з ермітовим гамільтоніаном повинна мати CPT-симетрію.
CPT-інваріантність є фундаментальним принципом, справедливим для всіх типів взаємодії. Вона виводиться із перетворень Лоренца і принципу локальності.
Теорема CPT з’явилася вперше, неявно, в роботі Джуліана Швінгера в 1951 році, щоб довести зв’язок між спіном і статистикою . [3] У 1954 році Герхарт Людерс і Вольфганг Паулі запропонували більш явні аргументи [4] [5] тому цю теорему іноді називають теоремою Людерса–Паулі. Приблизно в той же час і незалежно цю теорему також довів Джон Стюарт Белл . [6] [7] Доведення базується на принципі лоренц-інваріантності та принципі локальності у взаємодії квантових полів. Згодом Рес Йост дав більш загальний доказ у 1958 році, використовуючи рамки аксіоматичної квантової теорії поля .
Дослідження кінця 1950-х років виявили порушення P-симетрії у явищах, які включають слабку взаємодію. Було добре відоме порушення C-симетрії, наприклад з оглядуу на перевагу матерії над антиматерією у Всесвіті. Протягом короткого часу вважалося, що CP-симетрія зберігається всіма фізичними явищами, але в 1960-х роках це також виявилося хибним, що передбачало, через інваріантність CPT, також порушення T-симетрії, яке згодом було підтверджене експериментально[8].
Розглянемо перетворення Лоренца, як поворот (у просторі мінковського) осі часу в напрямку до осі z. Обертання на 180° змінює напрямок часу та z . Зміна напрямку однієї осі є відображенням простору в будь-якій кількості вимірів. Якщо простір має 3 виміри, це еквівалентно відображенню всіх координат, оскільки можна зробити додатковий поворот на 180° у площині xy.
Це визначає CPT-перетворення, якщо прийняти інтерпретацію Фейнмана-Штукельберга античастинок як відповідних частинок, що рухаються назад у часі. Ця інтерпретація вимагає невеликого аналітичного продовження, яке є чітко визначеним лише за таких припущень:
- Теорія є лоренц-інваріантною;
- Вакуум є лоренц-інваріантом;
- Існує мінімальна енергія.
Коли вищевикладене виконується, квантову теорію можна розширити до евклідової теорії, визначеної переведенням усіх операторів в уявний час за допомогою гамільтоніана. Комутаційні співвідношення гамільтоніана та генераторів Лоренца гарантують, що інваріантність Лоренца передбачає обертальну інваріантність, так що будь-який стан можна повернути на 180 градусів.
Оскільки послідовність двох відображень CPT еквівалентна повороту на 360 градусів, ферміони змінюються на знак під двома відбиттями CPT, а бозони – ні. Цей факт можна використати для доведення теореми спінової статистики.
Наслідком CPT-симетрії є уявлення про «дзеркальне відображення» нашого Всесвіту, де всі об’єкти мають своє положення, відображене через довільну точку (що відповідає інверсії парності ), усі імпульси розвернуті (що відповідає інверсії часу або зворотності) і вся матерія замінена антиматерією (що відповідає інверсії заряду ) — буде еволюціонувати відповідно до наших фізичних законів. Операція симетрії CPT перетворює наш Всесвіт на своє «дзеркальне відображення» і навпаки. CPT-симетрія визнана фундаментальною властивістю фізичних законів.
Щоб зберегти цю симетрію, кожне порушення комбінованої симетрії двох його компонентів (таких як CP) повинно мати відповідне порушення в третьому компоненті (таких як T). Таким чином, порушення Т-симетрії часто називають порушеннями CP .
У 2002 році Оскар Грінберг довів, що з відповідними припущеннями порушення CPT означає порушення симетрії Лоренца . [9]
Порушення CPT можна очікувати в деяких моделях теорії струн, а також у деяких інших моделях, які лежать за межами квантової теорії поля точкових частинок. Деякі запропоновані порушення інваріантності Лоренца, такі як компактна розмірність в космології, також можуть призвести до порушення CPT. Неунітарні теорії, такі як ідеї, що чорні діри порушують унітарність, також можуть порушувати CPT. З технічної точки зору, поля з нескінченним обертанням можуть порушувати CPT-симетрію. [10]
Переважна більшість експериментальних пошуків порушення інваріантності Лоренца дали негативні результати. Детальну таблицю цих результатів надали в 2011 році Костелецький і Рассел. [11]
- Дихроматична симетрія
- Симетрія Пуанкаре і квантова теорія поля
- Парність (фізика), зарядове спряження та T-симетрія
- СР порушення і каони
- Наукові результати IKAROS
- ↑ Kostelecký, V. A. The Status of CPT. arXiv:hep-ph/9810365.
- ↑ This is the One Symmetry That the Universe Must Never Violate. Forbes.
- ↑ Schwinger, Julian (1951). The Theory of Quantized Fields I. Physical Review. 82 (6): 914—927. Bibcode:1951PhRv...82..914S. doi:10.1103/PhysRev.82.914.
- ↑ Lüders, G. (1954). On the Equivalence of Invariance under Time Reversal and under Particle-Antiparticle Conjugation for Relativistic Field Theories. Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, Matematisk-Fysiske Meddelelser. 28 (5): 1—17.
- ↑ Pauli, W.; Rosenfelf, L.; Weisskopf, V., ред. (1955). Niels Bohr and the Development of Physics. McGraw-Hill. LCCN 56040984.
- ↑ Whitaker, Andrew (2016). John Stuart Bell and Twentieth-Century Physics. Oxford University Press. ISBN 978-0198742999.
- ↑ Bell, John Stewart (1955). Time reversal in field theory. Proc. R. Soc. Lond. A. 231 (1187): 479—495. Bibcode:1955RSPSA.231..479B. doi:10.1098/rspa.1955.0189.
- ↑ Schubert, K. R. (1 березня 2015). T violation and CPT tests in neutral-meson systems. Progress in Particle and Nuclear Physics. Т. 81. с. 1—38. doi:10.1016/j.ppnp.2014.12.001. ISSN 0146-6410. Процитовано 27 листопада 2024.
- ↑ Greenberg, O. W. (2002). CPT Violation Implies Violation of Lorentz Invariance. Physical Review Letters. 89 (23): 231602. arXiv:hep-ph/0201258. Bibcode:2002PhRvL..89w1602G. doi:10.1103/PhysRevLett.89.231602. PMID 12484997.
- ↑ Lehnert, Ralf (November 2016). CPT Symmetry and Its Violation. Symmetry (англ.). 8 (11): 114. Bibcode:2016Symm....8..114L. doi:10.3390/sym8110114. ISSN 2073-8994.
- ↑ Kostelecký, V. A.; Russell, N. (2011). Data tables for Lorentz and CPT violation. Reviews of Modern Physics. 83 (1): 11—31. arXiv:0801.0287. Bibcode:2011RvMP...83...11K. doi:10.1103/RevModPhys.83.11.
- Sozzi, M.S. (2008). Discrete symmetries and CP violation. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-929666-8.
- Griffiths, David J. (1987). Introduction to Elementary Particles. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3.
- R. F. Streater and A. S. Wightman (1964). PCT, spin and statistics, and all that. Benjamin/Cummings. ISBN 978-0-691-07062-9.
- Довідкова інформація про Лоренца та порушення CPT від Алана Костелецького з Теоретичної фізики Університету Індіани
- Симетрія заряду, парності та реверсування часу (CPT) [Архівовано 2011-08-05 у Wayback Machine.] </link> в LBL
- Тести на інваріантність CPT у розпаді нейтрального каону на LBL
- 8-компонентна теорія для ферміонів, в якій Т-парність може бути комплексним числом з одиничним радіусом. CPT-інваріантність — це не теорема, але властивість у цьому класі теорій.
- Ця частинка порушує часову симетрію – відео YouTube від Veritasium
- Елементарне обговорення порушення CPT наведено в розділі 15 цього підручника для студентів [1]