CP-симметрия — это композиция двух дискретных преобразований: зарядового сопряжения (C), которое заменяет частицу на античастицу, и пространственного отражения (P), инвертирующего направление всех координат. Интуитивно, если законы физики инвариантны относительно CP, то поведение античастиц в зеркальном мире должно быть идентичным поведению частиц в реальном мире. Нарушение этой симметрии указывает на фундаментальное различие между материей и антиматерией и, как было показано, играет решающую роль в объяснении барионной асимметрии Вселенной.
Первое экспериментальное наблюдение нарушения CP-симметрии произошло в 1964 году в опытах с нейтральными каонами. В эксперименте Кроніна и Фитча было обнаружено, что длинноживущий нейтральный каон KL, который должен распадаться исключительно в трёхпи-мезонные состояния (CP = −1), с небольшой вероятностью распадается также и на два пиона (CP = +1). Это было бесспорным свидетельством того, что CP-симметрия не является абсолютно сохраняющейся в слабом взаимодействии.
Для описания нарушения CP в системе нейтральных мезонов используется формализм смешивания. Состояния K0 и K̄0 могут переходить друг в друга через слабое взаимодействие. Их линейные комбинации дают собственные состояния Гамильтониана:
|KL, S⟩ = p|K0⟩ ± q|K̄0⟩
где коэффициенты p и q определяются через элементы матрицы эффективного Гамильтониана. В случае CP-инвариантного взаимодействия |p| = |q|, и состояния KS и KL имеют определённую CP-чётность. Нарушение CP означает, что |p/q| ≠ 1, и собственные состояния больше не являются чистыми CP-собственными.
Выделяют три типа CP-нарушения:
Нарушение CP в смешивании (indirect CP violation) Возникает, когда физические состояния (например, KL) не совпадают с CP-собственными состояниями. Характеризуется параметром ϵ в распаде каонов:
$$ \eta_{+-} = \frac{A(K_L \to \pi^+ \pi^-)}{A(K_S \to \pi^+ \pi^-)} \approx \epsilon $$
Нарушение CP в распаде (direct CP violation) Возникает, если амплитуды распада непосредственно нарушают CP, то есть:
|A(K0 → ππ)| ≠ |A(K̄0 → ππ)|
Измеряется параметром ϵ′, через отношение:
$$ \frac{\epsilon'}{\epsilon} \sim \frac{1}{3}\left(\frac{\eta_{00}}{\eta_{+-}} - 1\right) $$
Экспериментально подтверждено, что ϵ′/ϵ ≠ 0, что означает наличие прямого нарушения CP.
Нарушение CP в интерференции распада с и без смешивания Наблюдается, например, в системе B-мезонов. Здесь фаза между амплитудой прямого распада и распада после смешивания приводит к асимметриям, чувствительным к фазам CKM-матрицы.
В Стандартной модели нарушение CP возникает через фазу в матрице Кабиббо–Кобаяши–Маскавы (CKM), которая описывает смешивание кварков. Эта унитарная матрица имеет девять параметров, из которых одна неустранимая комплексная фаза отвечает за нарушение CP.
В параметризации Вольфаенштейна:
$$ V_{\text{CKM}} \approx \begin{pmatrix} 1 - \frac{\lambda^2}{2} & \lambda & A\lambda^3(\rho - i\eta) \\ -\lambda & 1 - \frac{\lambda^2}{2} & A\lambda^2 \\ A\lambda^3(1 - \rho - i\eta) & -A\lambda^2 & 1 \end{pmatrix} $$
Здесь параметр η отвечает за нарушение CP. Унитарность CKM-матрицы приводит к диаграммам унитарности, одна из которых — в пространстве комплексной плоскости — образует так называемый треугольник унитарности. Углы этого треугольника (α, β, γ) измеряются в B-физике и несут информацию о CP-нарушении.
B-мезоны (нейтральные Bd0 и Bs0) демонстрируют яркие проявления нарушения CP. Благодаря более высокой массе и хорошо контролируемым экспериментальным условиям, в B-системе удаётся точно измерять асимметрии распадов во времени. Ожидаемые и наблюдаемые значения асимметрий согласуются с предсказаниями Стандартной модели, подтверждая фазу в CKM-матрице как источник CP-нарушения.
Анализ временной зависимости асимметрий:
$$ A_{CP}(t) = \frac{\Gamma(\bar{B}^0(t) \to f_{CP}) - \Gamma(B^0(t) \to f_{CP})}{\Gamma(\bar{B}^0(t) \to f_{CP}) + \Gamma(B^0(t) \to f_{CP})} = S_f \sin(\Delta m\, t) - C_f \cos(\Delta m\, t) $$
где Sf и Cf — параметры, определяющие силу CP-нарушения.
Одной из фундаментальных загадок космологии является барионная асимметрия: наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом. Для её объяснения должны быть выполнены условия Сахарова:
CP-нарушение, предсказанное и наблюдаемое в рамках Стандартной модели, оказывается недостаточным по величине для объяснения наблюдаемого барионного избытка. Это указывает на необходимость существования новых источников CP-нарушения — за пределами Стандартной модели. Среди кандидатов — расширенные модели Хиггсовского сектора, лептогенез через нарушение CP в нейтринном секторе, и физика при высоких энергиях, связанная с новыми масштабами симметрий.
В последние годы значительное внимание уделяется возможному нарушению CP в нейтринных осцилляциях. В аналогии с CKM-матрицей, в секторе нейтрино действует матрица Понтекорво–Маки–Накая–Сакаты (PMNS), в которой также может присутствовать физическая фаза δCP, нарушающая CP-инвариантность.
Эксперименты, такие как T2K, NOνA и будущие DUNE и Hyper-K, направлены на измерение этой фазы. Первые данные указывают на возможное существенное нарушение CP в лептонном секторе, что может сыграть ключевую роль в сценариях лептогенеза — гипотетического механизма генерации барионной асимметрии через асимметрию в лептонах.
В теоретических разработках за пределами Стандартной модели часто рассматриваются дополнительные источники CP-нарушения:
Измерения CP-нарушения остаются ключевой задачей физики элементарных частиц. Эксперименты, такие как LHCb, Belle II и будущие нейтринные обсерватории, продолжают уточнять параметры CP-асимметрий с всё большей точностью. Особый интерес представляет возможность наблюдения отклонений от Стандартной модели, которые могут указывать на наличие новой физики.
Особо чувствительными являются эксперименты по измерению электрических дипольных моментов (EDM) элементарных частиц, в том числе нейтрона, протона, тяжёлых атомов и молекул. Также активно развиваются космологические подходы, связывающие нарушение CP с ранней Вселенной и инфляцией.