Дискретные симметрии: C, P и T

Зарядовое сопряжение, чётность и обращение времени являются фундаментальными дискретными симметриями физики элементарных частиц, комбинация которых CPT считается точной, хотя каждая из них может быть нарушена по отдельности.

Definition

Зарядовое сопряжение (C), чётность (P) и обращение времени (T) — это дискретные преобразования, относительно которых физическая система может быть или не быть инвариантной; их комбинированная операция CPT является теоремой локальной релятивистской квантовой теории поля, хотя C, P, T и пара CP могут быть нарушены слабым взаимодействием.

Scope

Эта тема охватывает три операции дискретной симметрии: зарядовое сопряжение, которое обменивает частицы на античастицы; чётность, которая отражает пространственные координаты; и обращение времени, которое меняет направление времени. В ней рассматривается открытие того, что слабое взаимодействие нарушает чётность и зарядовое сопряжение, комбинированная CP-симметрия и CPT-теорема, которая гарантирует равенство масс и времён жизни частиц и античастиц в любой локальной релятивистской квантовой теории поля.

Core questions

• Что операции зарядового сопряжения, чётности и обращения времени делают с физической системой?
• Почему слабое взаимодействие нарушает чётность и зарядовое сопряжение?
• В чём заключается содержание и значение CPT-теоремы?
• Как эти дискретные симметрии проверяются экспериментально?

Key concepts

• Зарядовое сопряжение
• Преобразование чётности
• Обращение времени
• Нарушение чётности
• Комбинированная CP-симметрия
• CPT-теорема

Key theories

Нарушение чётности в слабых взаимодействиях

Ли и Янг поставили под сомнение сохранение чётности в слабых процессах, и эксперимент Ву и сотрудников подтвердил, что бета-распад различает левое и правое, установив максимальное нарушение чётности.

CPT-теорема

Любая локальная, Лоренц-инвариантная квантовая теория поля инвариантна относительно комбинированной операции зарядового сопряжения, чётности и обращения времени, что подразумевает, что частицы и античастицы имеют идентичные массы и времена жизни.

Clinical relevance

Дискретные симметрии определяют, какие распады и реакции разрешены; открытие нарушения чётности изменило теорию слабого взаимодействия, а точность CPT обеспечивает одну из самых строгих проверок основ квантовой теории поля посредством сравнения свойств частиц и античастиц.

History

Долгое время предполагалось, что чётность сохраняется, пока Ли и Янг в 1956 году не указали, что это не было проверено для слабого взаимодействия. Эксперимент Ву 1957 года с поляризованным кобальтом-60 продемонстрировал нарушение чётности, что быстро привело к V-A теории слабого взаимодействия, в то время как CPT-теорема, разработанная примерно в то же время Людерсом, Паули и другими, установила комбинированную симметрию как краеугольный камень квантовой теории поля.

Key figures

• Tsung-Dao Lee
• Chen-Ning Yang
• Chien-Shiung Wu
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• leeyang1956
• wu1957

Frequently asked questions

Что означает нарушение чётности?

Нарушение чётности означает, что процесс и его зеркальное отображение происходят с разной скоростью. Слабое взаимодействие максимально нарушает чётность, поэтому законы, управляющие слабыми распадами, не совпадают с их зеркальными отражениями.

Почему CPT-теорема важна?

CPT-теорема справедлива в любой локальной релятивистской квантовой теории поля и предсказывает, что частица и её античастица имеют абсолютно равные массы и времена жизни. Любое наблюдаемое нарушение CPT будет сигнализировать о нарушении этих фундаментальных предположений.