CPT-симметрия
Инвариантность относительно одновременного сопряжения заряда, преобразования четности и обращения времени

Симметрия заряда, четности и обращения времени является фундаментальной симметрией физических законов при одновременных преобразованиях сопряжения заряда (C), преобразования четности (P) и обращения времени (T). CPT является единственной комбинацией C, P и T, которая, как наблюдается, является точной симметрией природы на фундаментальном уровне. [1] [2] Теорема CPT гласит, что симметрия CPT справедлива для всех физических явлений или, точнее, что любая лоренц-инвариантная локальная квантовая теория поля с эрмитовым гамильтонианом должна иметь симметрию CPT. Говоря простым языком, это означает, что антиматерия , зеркальная и обращенная во времени вселенная будет вести себя точно так же, как наша обычная вселенная.

История

Теорема CPT впервые появилась неявно в работе Джулиана Швингера в 1951 году для доказательства связи между спином и статистикой . [3] В 1954 году Герхарт Людерс и Вольфганг Паули вывели более явные доказательства, [4] [5] поэтому эту теорему иногда называют теоремой Людерса–Паули. Примерно в то же время и независимо эту теорему также доказал Джон Стюарт Белл . [6] [7] Эти доказательства основаны на принципе лоренц-инвариантности и принципе локальности во взаимодействии квантовых полей. Впоследствии Рес Йост дал более общее доказательство в 1958 году, используя рамки аксиоматической квантовой теории поля .

Усилия конца 1950-х годов выявили нарушение P-симметрии явлениями, включающими слабые силы , и были также хорошо известны нарушения C-симметрии . В течение короткого времени считалось, что CP-симметрия сохраняется всеми физическими явлениями, но в 1960-х годах это также было признано ложным, что подразумевало, в силу CPT-инвариантности , также и нарушения T-симметрии .

Вывод теоремы CPT

Рассмотрим усиление Лоренца в фиксированном направлении z . Это можно интерпретировать как поворот оси времени в ось z с мнимым параметром поворота. Если бы этот параметр поворота был действительным , то поворот на 180° мог бы изменить направление времени и z на противоположное . Изменение направления одной оси на противоположное является отражением пространства в любом количестве измерений. Если пространство имеет 3 измерения, это эквивалентно отражению всех координат, поскольку можно включить дополнительный поворот на 180° в плоскости xy .

Это определяет преобразование CPT, если мы принимаем интерпретацию античастиц Фейнмана–Штюкельберга как соответствующих частиц, движущихся назад во времени. Эта интерпретация требует небольшого аналитического продолжения , которое хорошо определено только при следующих предположениях:

  1. Теория является Лоренц-инвариантной ;
  2. Вакуум является лоренц-инвариантом;
  3. Энергия ограничена снизу.

Если вышесказанное справедливо, квантовую теорию можно расширить до евклидовой теории, определяемой путем перевода всех операторов в мнимое время с использованием гамильтониана . Коммутационные соотношения гамильтониана и генераторы Лоренца гарантируют, что инвариантность Лоренца подразумевает инвариантность вращения , так что любое состояние может быть повернуто на 180 градусов.

Поскольку последовательность из двух CPT-отражений эквивалентна повороту на 360 градусов, фермионы меняют знак при двух CPT-отражениях, а бозоны — нет. Этот факт можно использовать для доказательства теоремы о спиновой статистике .

Последствия и выводы

Следствием симметрии CPT является то, что «зеркальное отражение» нашей Вселенной — со всеми объектами, имеющими свои положения, отраженные через произвольную точку (соответствующую инверсии четности ), со всеми обращенными импульсами (соответствующими инверсии времени ) и со всей материей , замененной антиматерией (соответствующей инверсии заряда ) — развивалось бы в точности по нашим физическим законам. Преобразование CPT превращает нашу Вселенную в ее «зеркальное отражение» и наоборот. [8] Симметрия CPT признана фундаментальным свойством физических законов.

Для сохранения этой симметрии каждое нарушение объединенной симметрии двух ее компонентов (например, CP) должно иметь соответствующее нарушение в третьем компоненте (например, T); на самом деле, математически это одно и то же. Таким образом, нарушения в T-симметрии часто называют нарушениями CP .

Теорему CPT можно обобщить, чтобы учесть группы контактов .

В 2002 году Оскар Гринберг доказал, что при разумных предположениях нарушение CPT подразумевает нарушение симметрии Лоренца . [9]

Нарушения CPT можно было бы ожидать от некоторых моделей теории струн , а также от некоторых других моделей, которые лежат за пределами квантовой теории поля с точечными частицами. Некоторые предлагаемые нарушения лоренц-инвариантности, такие как компактное измерение космологического размера, также могут привести к нарушению CPT. Неунитарные теории, такие как предложения, где черные дыры нарушают унитарность, также могут нарушать CPT. С технической точки зрения, поля с бесконечным спином могут нарушать симметрию CPT. [10]

Подавляющее большинство экспериментальных поисков нарушения Лоренца дали отрицательные результаты. Подробная таблица этих результатов была дана в 2011 году Костелецким и Расселом. [11]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Костелецкий, В.А. (1998). «Статус КПТ». arXiv : hep-ph/9810365 .
  2. ^ Сигел, Итан. «Это единственная симметрия, которую Вселенная никогда не должна нарушать». Forbes .
  3. ^ Швингер, Джулиан (1951). «Теория квантованных полей I». Physical Review . 82 (6): 914– 927. Bibcode :1951PhRv...82..914S. doi :10.1103/PhysRev.82.914. S2CID  121971249.
  4. ^ Людерс, Г. (1954). «Об эквивалентности инвариантности относительно обращения времени и сопряжения частица-античастица для релятивистских теорий поля». Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, Matematisk-Fysiske Meddelelser . 28 (5): 1–17 .
  5. ^ Паули, В.; Розенфельф, Л.; Вайскопф, В., ред. (1955). Нильс Бор и развитие физики . McGraw-Hill . LCCN  56040984.
  6. ^ Уитакер, Эндрю (2016). Джон Стюарт Белл и физика двадцатого века. Oxford University Press . ISBN 978-0198742999.
  7. ^ Белл, Джон Стюарт (1955). «Обращение времени в теории поля». Proc. R. Soc. Lond. A. 231 ( 1187): 479– 495. Bibcode : 1955RSPSA.231..479B. doi : 10.1098/rspa.1955.0189. S2CID  123577175.
  8. ^ У нашей Вселенной может быть близнец, движущийся назад во времени Пол Саттер, Live Science. 16 марта 2022 г.
  9. ^ Гринберг, О. В. (2002). «Нарушение CPT подразумевает нарушение лоренц-инвариантности». Physical Review Letters . 89 (23): 231602. arXiv : hep-ph/0201258 . Bibcode : 2002PhRvL..89w1602G. doi : 10.1103/PhysRevLett.89.231602. PMID  12484997. S2CID  9409237.
  10. ^ Ленерт, Ральф (ноябрь 2016 г.). «Симметрия CPT и ее нарушение». Симметрия . 8 (11): 114. Bibcode : 2016Symm....8..114L. doi : 10.3390/sym8110114 . ISSN  2073-8994.
  11. ^ Костелецкий, ВА; Рассел, Н. (2011). «Таблицы данных для нарушения Лоренца и CPT ». Reviews of Modern Physics . 83 (1): 11– 31. arXiv : 0801.0287 . Bibcode :2011RvMP...83...11K. doi :10.1103/RevModPhys.83.11. S2CID  3236027.

Источники

  • Sozzi, MS (2008). Дискретные симметрии и нарушение CP . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-929666-8.
  • Гриффитс, Дэвид Дж. (1987). Введение в элементарные частицы . Wiley, John & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-60386-3.
  • RF Streater и AS Wightman (1964). PCT, спин и статистика, и все такое . Benjamin/Cummings. ISBN 978-0-691-07062-9.
  • Справочная информация о нарушении Лоренца и CPT, Алана Костелецкого из Теоретической физики Университета Индианы
  • Костелецкий, В. Алан; Рассел, Нил (2011). "Таблицы данных для нарушения Лоренца и CPT". Reviews of Modern Physics . 83 (1): 11. arXiv : 0801.0287 . Bibcode : 2011RvMP...83...11K. doi : 10.1103/RevModPhys.83.11. S2CID  3236027.
  • Берг, Маркус; Девитт-Моретт, Сесиль; Гво, Шангджр; Крамер, Эрик (2001). «Группы контактов в физике: C, P и T». Обзоры по математической физике . 13 (8): 953–1034 . arXiv : math-ph/0012006 . doi :10.1142/S0129055X01000922. S2CID  119560073.
  • Симметрия заряда, четности и обращения времени (CPT) Архивировано 05.08.2011 на Wayback Machine в LBL
  • Тесты инвариантности CPT при распаде нейтрального каона в LBL
  • Ин, С. (2000). "Симметрия пространства-времени, CPT и зеркальные фермионы". arXiv : hep-th/0010074 .– 8-компонентная теория для фермионов, в которой T-четность может быть комплексным числом с единичным радиусом. CPT-инвариантность – это не теорема, а лучшее свойство в этом классе теорий.
  • Эта частица нарушает симметрию времени – видео на YouTube от Veritasium
  • Элементарное обсуждение нарушения CPT дано в главе 15 этого учебника для студентов [1].
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=CPT_symmetry&oldid=1269745427"