Нарушение T-четности в физике элементарных частиц

В физике элементарных частиц симметрия времени (T-симметрия) играет фундаментальную роль. Она выражает инвариантность законов физики относительно реверсирования направления времени: если в исходной системе событий t → −t, то все процессы должны разворачиваться в обратном порядке с теми же вероятностями. В классической механике и электродинамике большинство законов T-симметричны, однако в квантовой теории поля обнаружены явные нарушения этой симметрии.

Математическое представление T-симметрии

В квантовой механике и квантовой теории поля оператор времени T̂ реализует преобразование t → −t. Для любого состояния |ψ(t)⟩ выполняется:

T̂|ψ(t)⟩=|ψ(−t)⟩

и для гамильтониана Ĥ, сохраняющего T-симметрию, должно выполняться:

T̂ĤT̂−1 = Ĥ.

Если это соотношение нарушается, говорят о T-несимметричности процессов. На практике T-нарушение часто проявляется через асимметрию распада или рассеяния частиц.

Нарушение T-симметрии в слабом взаимодействии

Экспериментальные наблюдения нарушения T-симметрии тесно связаны с CP-нарушением (симметрия заряда и параллельности). Согласно CPT-теореме, для любой локальной релятивистской квантовой теории:

CPT ≡ инвариантность

Это означает, что если CP-симметрия нарушена, то и T-симметрия должна быть нарушена, чтобы сохранить CPT-инвариантность.

Примеры:

  1. Распад каонов: В 1964 году обнаружено CP-нарушение в системе K0–$\bar{K^0}$. Следствием этого является T-нарушение, проявляющееся в разнице вероятностей переходов $K^0 \to \bar{K^0}$ и $\bar{K^0} \to K^0$.

  2. Система B-мезонов: Эксперименты в коллайдерах Belle и BaBar показали значительные T-асимметрии в распадах B-мезонов, согласующиеся с предсказаниями Стандартной модели через фазу Кабиббо–Кобаяши–Маскавы (CKM).

Параметры T-нарушения

Для количественного описания T-нарушения вводят T-асимметрию:

$$ A_T = \frac{P(\text{процесс}) - P(\text{обратный процесс})}{P(\text{процесс}) + P(\text{обратный процесс})}, $$

где P — вероятность соответствующего процесса. В слабых взаимодействиях AT обычно мала, но измерима и подтверждается рядом экспериментов.

Электрический дипольный момент и T-симметрия

Наличие у элементарной частицы электрического дипольного момента (ЭДМ) прямо указывает на T-нарушение. Дипольный момент d⃗ должен быть ориентирован относительно спина S⃗:

d⃗ ∥ S⃗.

Если T-симметрия выполняется, среднее значение d⃗ должно быть равно нулю. Наблюдение ненулевого ЭДМ, например, у нейтрона или электрона, станет прямым доказательством T-нарушения и за пределами Стандартной модели.

Теоретические механизмы T-нарушения

  1. CKM-фаза в Стандартной модели Вмешательство комплексной фазы в матрице смешивания кварков приводит к CP- и T-нарушению в слабых распадах.

  2. QCD θ-параметр Теоретическая константа θQCD может вызвать сильное T-нарушение через CP-неинвариантный глюонный термин. Экспериментально θQCD чрезвычайно мала ( < 10−10), что является одной из загадок современной физики.

  3. Механизмы за пределами Стандартной модели Суперсимметрия, модели с дополнительными Х-бозонами или левоправыми взаимодействиями предсказывают дополнительные источники T-нарушения, которые могут быть обнаружены через ЭДМ или редкие распады.

Экспериментальные методы исследования

  • Коллайдеры: Belle II, LHCb изучают B-мезоны и их T-асимметрии.
  • Нейтронные эксперименты: Поиск ЭДМ нейтрона с точностью до 10−26 e·см.
  • Молекулярные и атомные спектроскопические эксперименты: Чувствительны к ЭДМ электрона и легких нуклонов.

Эти эксперименты позволяют проверять фундаментальные законы симметрии и искать новые источники T-нарушения.

Значение T-нарушения

  1. Проблема барионной асимметрии Вселенной Согласно Сахаровским условиям, для объяснения преобладания материи над антиматерией необходимо нарушение CP и, соответственно, T-симметрии.

  2. Тестирование фундаментальных принципов квантовой теории Измерения T-нарушения позволяют проверять CPT-теорему и структуру слабого взаимодействия.

  3. Поиск физики за пределами Стандартной модели Любое наблюдаемое T-нарушение, не объясняемое CKM-фазой или θ-параметром, будет указанием на новые фундаментальные взаимодействия.

Оглавление