สมมาตรแบบไม่ต่อเนื่อง: C, P, และ T

การแปลงประจุ (Charge conjugation), ภาวะคู่ (parity), และการย้อนกลับเวลา (time reversal) เป็นสมมาตรแบบไม่ต่อเนื่องพื้นฐานของฟิสิกส์อนุภาค ซึ่งการรวมกันของ CPT เชื่อกันว่ามีความแม่นยำสมบูรณ์ แม้ว่าแต่ละสมมาตรจะสามารถถูกละเมิดแยกกันได้

Definition

การแปลงประจุ (C), ภาวะคู่ (P), และการย้อนกลับเวลา (T) เป็นการแปลงแบบไม่ต่อเนื่องที่ระบบทางฟิสิกส์อาจจะคงสภาพหรือไม่คงสภาพภายใต้การแปลงนั้น การดำเนินการรวมกันของ CPT เป็นทฤษฎีบทของทฤษฎีสนามควอนตัมสัมพัทธภาพเฉพาะที่ แม้ว่า C, P, T และคู่ CP แต่ละตัวจะสามารถถูกละเมิดได้โดยอันตรกิริยาแบบอ่อน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการดำเนินการสมมาตรแบบไม่ต่อเนื่องสามประการ: การแปลงประจุ ซึ่งแลกเปลี่ยนอนุภาคกับปฏิอนุภาค; ภาวะคู่ ซึ่งสะท้อนพิกัดเชิงพื้นที่; และการย้อนกลับเวลา ซึ่งย้อนทิศทางของเวลา หัวข้อนี้กล่าวถึงการค้นพบว่าอันตรกิริยาแบบอ่อนละเมิดภาวะคู่และการแปลงประจุ, สมมาตร CP แบบรวม, และทฤษฎีบท CPT ที่รับประกันความเท่าเทียมกันของมวลและอายุขัยของอนุภาคและปฏิอนุภาคในทฤษฎีสนามควอนตัมสัมพัทธภาพเฉพาะที่ใดๆ

Core questions

• การดำเนินการของการแปลงประจุ, ภาวะคู่, และการย้อนกลับเวลามีผลต่อระบบทางฟิสิกส์อย่างไร?
• เหตุใดอันตรกิริยาแบบอ่อนจึงละเมิดภาวะคู่และการแปลงประจุ?
• เนื้อหาและความสำคัญของทฤษฎีบท CPT คืออะไร?
• สมมาตรแบบไม่ต่อเนื่องเหล่านี้ได้รับการทดสอบเชิงทดลองอย่างไร?

Key concepts

• การแปลงประจุ
• การแปลงภาวะคู่
• การย้อนกลับเวลา
• การละเมิดภาวะคู่
• สมมาตร CP แบบรวม
• ทฤษฎีบท CPT

Key theories

การละเมิดภาวะคู่ในอันตรกิริยาแบบอ่อน

Lee และ Yang ตั้งคำถามว่าภาวะคู่ถูกอนุรักษ์ไว้ในกระบวนการแบบอ่อนหรือไม่ และการทดลองของ Wu และคณะได้ยืนยันว่าการสลายตัวแบบบีตาแยกความแตกต่างระหว่างซ้ายกับขวา ซึ่งเป็นการยืนยันการละเมิดภาวะคู่สูงสุด

ทฤษฎีบท CPT

ทฤษฎีสนามควอนตัมเฉพาะที่และไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลงลอเรนซ์ใดๆ จะไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การดำเนินการรวมกันของการแปลงประจุ, ภาวะคู่, และการย้อนกลับเวลา ซึ่งหมายความว่าอนุภาคและปฏิอนุภาคมีมวลและอายุขัยที่เหมือนกัน

Clinical relevance

สมมาตรแบบไม่ต่อเนื่องกำหนดว่าการสลายตัวและปฏิกิริยาใดบ้างที่ได้รับอนุญาต การค้นพบการละเมิดภาวะคู่ได้ปรับเปลี่ยนทฤษฎีของอันตรกิริยาแบบอ่อน และความแม่นยำของ CPT เป็นหนึ่งในการทดสอบที่เข้มงวดที่สุดของรากฐานของทฤษฎีสนามควอนตัมผ่านการเปรียบเทียบคุณสมบัติของอนุภาคและปฏิอนุภาค

History

ภาวะคู่ถูกสันนิษฐานมานานแล้วว่าจะถูกอนุรักษ์ไว้ จนกระทั่ง Lee และ Yang ชี้ให้เห็นในปี 1956 ว่าสิ่งนี้ยังไม่ได้รับการทดสอบสำหรับอันตรกิริยาแบบอ่อน การทดลองของ Wu ในปี 1957 เกี่ยวกับโคบอลต์-60 ที่มีขั้วแสดงให้เห็นการละเมิดภาวะคู่ ซึ่งนำไปสู่ทฤษฎี V ลบ A ของอันตรกิริยาแบบอ่อนอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ทฤษฎีบท CPT ซึ่งพัฒนาขึ้นในช่วงเวลาเดียวกันโดย Luders, Pauli และคนอื่นๆ ได้สร้างสมมาตรแบบรวมเป็นรากฐานสำคัญของทฤษฎีสนามควอนตัม

Key figures

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

Seminal works

• leeyang1956
• wu1957

Frequently asked questions

การละเมิดภาวะคู่หมายความว่าอย่างไร?

การละเมิดภาวะคู่หมายความว่ากระบวนการหนึ่งและภาพสะท้อนของมันเกิดขึ้นในอัตราที่แตกต่างกัน อันตรกิริยาแบบอ่อนละเมิดภาวะคู่สูงสุด ดังนั้นกฎที่ควบคุมการสลายตัวแบบอ่อนจึงไม่เหมือนกับการสะท้อนในกระจกของพวกมัน

เหตุใดทฤษฎีบท CPT จึงมีความสำคัญ?

ทฤษฎีบท CPT ใช้ได้กับทฤษฎีสนามควอนตัมสัมพัทธภาพเฉพาะที่ใดๆ และทำนายว่าอนุภาคและปฏิอนุภาคมีมวลและอายุขัยที่เท่ากันอย่างแม่นยำ การละเมิด CPT ที่สังเกตได้ใดๆ จะเป็นสัญญาณของการล่มสลายของสมมติฐานพื้นฐานเหล่านี้