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对称性破缺

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现代物理学研究的范式是对称性及其破缺,其中关于分立对称性的探讨占据重
要地位。宇称变换 P 改变空间手性,电荷共轭变换 C 交换正反粒子的内禀量子数,
其二者在引力、电磁及强相互作用中分别是对称变换。然而,弱相互作用不仅分别
破坏 C 和 P [1] ,而且亦破坏 CP 联合变换 [2] 。
粒子物理学对于 CP 破坏的研究具有理论和实践的双重意义。从理论上讲:首
先,其彻底破除了人类的思维定式——CP 守恒意味着正、反粒子应当遵循相同的
自然定律,然而事实告诉我们,微观世界中的对称性不能先验地假定而只能经过实
验的检验;其次,由 CPT 定理可知 CP 破坏即意味着时间反演 T 的破坏,从而微
观世界中的时间具有方向性,且其不同于宏观热力学中所内蕴的时间之矢;再次,
CP 破坏是标准模型构建中不可或缺的要素,其解决方案促使三代夸克理论的诞
生 [3] ;最后,宇宙学中为解释正、反物质的不对称性而引入重子数产生机制,CP 破
坏是其必要条件之一 [4] 。从实践上讲:对 CP 破坏的精确测量不仅可以约束标准模
型中的味道参数;而且亦能用于探测新物理的迹象。
在标准模型的框架内,CP 破坏的来源有两条途径:其一,弱电理论中的
Kobayashi 和 Maskawa(KM)机制:由于 Yukawa 耦合包含不同代间的夸克,使得
质量矩阵于味道空间中是非对角的,因此带电流与质量本征态的耦合会给出
Cabibbo-Kobayashi-Maskawa(CKM)矩阵;在三代夸克理论中,其经重新参数化后
仍然含有一个复相角,这成为弱电理论中 CP 破坏的唯一来源。其二,在量子色动
力学的作用量中包含一个不可忽略的全导数项,其破坏 P 和 T,即 CP。
迄今为止,K、D 和 B 介子系统是开展 CP 破坏研究的最好平台,而 B 工厂
所给出的实验结果很好地支持了 KM 机制。归纳起来,现今 CP 破坏的研究主要
有两大疑难。① 宇宙学的观测表明重子数产生机制要求更大的 CP 破坏来源,不
是标准模型所能提供的,需要新物理模型。以最小超对称标准模型为例,包含 41 个
CP 破坏参数 [5] ,这就为理论上筛选真实的新物理模型提出了严峻挑战。② CP 破坏
的起源:与“硬”CP 破坏的 KM 机制相对应,理论上存在自发 CP 破坏的理论
模型 [6] ,但实验对其提出了极其严格的限制。坦率地讲,自然为什么是 CP 破坏的
答案距离我们依然遥远。


IP属地:北京1楼2024-07-08 16:19回复