Symmetrien und Erhaltungsgesetze

Symmetrien und Erhaltungsgesetze sind die ordnenden Prinzipien der Teilchen- und Kernphysik, die die Invarianzen der Natur mit den Erhaltungsgrößen und der Struktur der fundamentalen Kräfte verbinden.

Definition

Symmetrien und Erhaltungsgesetze sind die Prinzipien, die besagen, dass die Invarianz physikalischer Gesetze unter einer Transformation eine Erhaltungsgröße impliziert; kontinuierliche Symmetrien führen zur Erhaltung von Energie, Impuls und Ladung, während diskrete und interne Symmetrien die Klassifizierung und erlaubten Übergänge von Teilchen steuern.

Scope

Dieser Bereich behandelt die tiefe Verbindung zwischen Symmetrie und Erhaltung, die im Noether-Theorem verkörpert ist, die Eichsymmetrien, die die fundamentalen Wechselwirkungen erzeugen, und die diskreten Symmetrien der Ladungskonjugation, Parität und Zeitumkehr. Er behandelt die überraschende Verletzung der Parität und der kombinierten Ladungs-Paritäts-Symmetrie in der schwachen Wechselwirkung, das CPT-Theorem und die approximativen Symmetrien wie Isospin und Flavor, die Hadronen klassifizieren.

Sub-topics

• CP-Verletzung
• Diskrete Symmetrien: C, P und T
• Eichsymmetrie und Noether-Theorem
• Isospin und Flavour-Symmetrie

Core questions

• Wie korrespondiert jede kontinuierliche Symmetrie der Natur mit einer Erhaltungsgröße?
• Wie bestimmen Eichsymmetrien die Form der fundamentalen Wechselwirkungen?
• Warum wird die Parität und sogar die kombinierte Ladungs-Paritäts-Symmetrie durch die schwache Wechselwirkung verletzt?
• Welche approximativen Symmetrien organisieren das Spektrum der Hadronen?

Key concepts

• Kontinuierliche und diskrete Symmetrien
• Noether-Theorem
• Eichsymmetrie
• Ladungskonjugation, Parität und Zeitumkehr
• CPT-Theorem
• Isospin- und Flavorsymmetrie

Key theories

Noether-Theorem

Noether bewies, dass jede kontinuierliche Symmetrie der Wirkung eines physikalischen Systems einer Erhaltungsgröße entspricht, die Zeit-Translation mit Energie, Raum-Translation mit Impuls und interne Phasensymmetrie mit Ladung verbindet.

Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung

Das Experiment von Wu und Mitarbeitern zeigte, dass der Beta-Zerfall links von rechts unterscheidet, was demonstriert, dass die Parität durch die schwache Wechselwirkung nicht erhalten bleibt, entgegen lange gehegter Annahmen.

Clinical relevance

Symmetrieprinzipien bestimmen, welche Teilchenreaktionen und -zerfälle erlaubt und verboten sind, untermauern die gesamte Eichstruktur des Standardmodells, und die geringfügige beobachtete Verletzung der kombinierten Ladungs-Paritäts-Symmetrie ist ein Schlüsselbestandteil zur Erklärung, warum das Universum mehr Materie als Antimaterie enthält.

History

Emmy Noether stellte 1918 die fundamentale Verbindung zwischen Symmetrie und Erhaltung her, und Symmetrie wurde zu einem zentralen Organisationsprinzip der Physik des zwanzigsten Jahrhunderts. Die Entdeckung, dass die schwache Wechselwirkung die Parität verletzt, vorgeschlagen von Lee und Yang und 1957 von Wu bestätigt, stürzte die Annahme der Spiegelsymmetrie um, und die spätere Beobachtung der Ladungs-Paritäts-Verletzung vertiefte die Rolle diskreter Symmetrien in der Teilchenphysik.

Key figures

• Emmy Noether
• Chien-Shiung Wu
• Tsung-Dao Lee
• Chen-Ning Yang

Seminal works

• noether1918
• wu1957

Frequently asked questions

Was besagt das Noether-Theorem?

Das Noether-Theorem besagt, dass jede kontinuierliche Symmetrie eines physikalischen Systems einer Erhaltungsgröße entspricht. Zum Beispiel impliziert die Invarianz der Physik unter Zeit-Translation die Erhaltung der Energie und unter Raum-Translation die Erhaltung des Impulses.

Sind alle Symmetrien der Natur exakt?

Nein. Einige Symmetrien sind exakt, wie die kombinierte CPT-Symmetrie, während andere nur approximativ sind oder verletzt werden. Die schwache Wechselwirkung verletzt die Parität und die kombinierte Ladungs-Paritäts-Symmetrie, und Isospin ist nur eine approximative Symmetrie der starken Wechselwirkung.