Το Νόμπελ φυσικής του 1980 για τη σπασμένη συμμετρία CP στους Cronin και Fitch

croninfitchΟι Αμερικανοί φυσικοί James Cronin και Val Logsdon Fitch  ανακάλυψαν ένα ανεξήγητο φαινόμενο. Το σπάσιμο της συμμετρίας CP (φορτίου-ομοτιμίας). Ενώ υπάρχει η καθολική ισχύς της συμμετρίας CPT στις αλληλεπιδράσεις πιστευόταν πως έπρεπε να ισχύει και για τη συμμετρία CP.  Το πείραμα πραγματοποιήθηκε το 1964 στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven των ΗΠΑ και αφορούσε μια απαγορευμένη διάσπαση του ουδέτερου Κ-μεσονίου. Η διάσπαση του μεσονίου-Κ έδειξε ότι σε συχνότητα 2 ‰  η συμμετρία CP παραβιαζόταν, με την παραγωγή ενός CP-συμμετρικού σωματιδίου από ένα CP-αντισυμμετρικού.

Συμμετρίες, οι καθοδηγητικοί κανόνες της Φυσικής

Οι αρχές συμμετρίας ενεργούν ως καθοδηγητικοί κανόνες για να ανακαλύψουμε τους μαθηματικούς νόμους της φύσης. Στο χώρο των σωματιδίων, υπάρχουν τρεις κύριες συμμετρίες. Η συμμετρία ως προς τον χρόνο T (δηλαδή να φανταστούμε τη κίνηση του σωματιδίου προς το παρελθόν -Τ), η αριστερόστροφη και δεξιόστροφη συμμετρία ή ομοτιμία P (που δεν έχει κάτι αντίστοιχο στην κλασσική φυσική) και τέλος η συμμετρία ως προς το φορτίο C (την αντικατάσταση του φορτίου από το αντισωματίδιο του).

Οι φυσικοί νόμοι παρουσιάζονται να είναι  αναλλοίωτοι στην αλλαγή του πρόσημου όλων των φορτίων. Κι αυτό αναφέρεται σαν συζυγία φορτίου. Το αναλλοίωτο των φυσικών νόμων ως προς την συζυγία του ηλεκτρικού φορτίου, ήταν κάτι το αποδεδειγμένο στην Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Καμιά αλλαγή δεν παρατηρείται στην κίνηση ενός φορτίου αν αλλάξει το πρόσημο του και ταυτόχρονα η διεύθυνση του ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου μέσα στο οποίο κινείται.

Το 1956 όμως δύο Αμερικανοί Φυσικοί, ο Lee και ο Yang, υπέθεσαν ότι η ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση δεν υπακούει στη συμμετρία Ρ, γιατί το σωματίδιο φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης μποζόνιο W, έχει μάζα και φορτίο. Αυτό σημαίνει ότι η ασθενής αλληλεπίδραση ανάγκασε το Σύμπαν να εξελιχθεί διαφορετικά απ’ ό,τι θα εξελίσσονταν το κατοπτρικό του Σύμπαν. Την θεωρία αυτή, την επιβεβαίωσε πειραματικά και η συνεργάτιδα τους κυρία Wu το 1957, στην διάσπαση βήτα.

Ανακαλύφθηκε επίσης ότι η ασθενής αλληλεπίδραση δεν υπακούει και στην συμμετρία C. Αυτό σημαίνει ότι ένα Σύμπαν με αντισωματίδια εξελίσσεται διαφορετικά από το δικό μας. Οι φυσικοί όμως πίστευαν ότι θα μπορούσε η ασθενής αλληλεπίδραση, να υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CP, παρόλο που και οι δύο συμμετρίες δεν ισχύουν.

Πειράματα όμως των James W. Cronin and Val L. Fitch με τα μεσόνια-Κ ή καόνια το 1964, έδειξαν ότι δεν ισχύει αυτή η συνδυασμένη συμμετρία.

Οι Cronin και Fitch πραγματοποίησαν δοκιμές για να βρουν αν μια ορισμένη διάσπαση των Κ-μεσονίων εμφανίζεται, παρά την απαγόρευση της από τη συμμετρία. Η ερευνητική τους ομάδα βρήκε ότι δύο από τα χίλια Κ-μεσόνια στην πραγματικότητα αποσυντέθηκαν με τον απαγορευμένο τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι κάποιοι νόμοι της Φύσης πρέπει τώρα να αλλάξουν ή να βρεθεί ένας νέος νόμος.

Από τα πειράματα των Cronin και Fitch δείχθηκε λοιπόν ότι αν κάνουμε τις δύο πρώτες αντιστροφές C και P κι όχι την αντιστροφή του χρόνου, το Σύμπαν δεν εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο. Η αντιστροφή του χρόνου πρέπει να αλλάζει κάποιους νόμους της Φύσης!.

Οι συνέπειες του αποτελέσματός τους (που περιλαμβάνουν ζητήματα για τη συμμετρία των φυσικών διαδικασιών κάτω από την αντιστροφή του χρόνου) συζητούνται ακόμα και σήμερα και αγγίζουν μερικά από τα βαθύτερα θεμέλια της θεωρητικής φυσικής, επειδή η συμμετρία CPT αναμένεται να ισχύει πάντοτε.

Σύμφωνα με κάποιο μαθηματικό θεώρημα κάθε θεωρία που υπακούει στους νόμους της κβαντικής μηχανικής και της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας πρέπει επίσης να υπακούει στην συνδυασμένη συμμετρία CPT.  Δηλαδή, το Σύμπαν πρέπει να εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο αν αντικαταστήσουμε τα σωματίδια με τα αντισωματίδια τους, πάρουμε το κατοπτρικό του Σύμπαν και αντιστρέψουμε τον χρόνο.

Ύλη και αντιύλη

Με ποιο τρόπο όμως αυτή η ανακάλυψη έχει σχέση με την αντιύλη; Από το 1955 οι Gell-Mann και Pais είχαν αναλύσει τα ουδέτερα Κ-μεσόνια και βρήκαν ότι αυτά ήταν παράξενα, πράγματι μοναδικά στην προτίμηση τους ως προς την ύλη και την αντιύλη. Εάν ήταν να επικρατήσει τέλεια συμμετρία, ένα διασπώμενο Κ-μεσόνιο θα έπρεπε να γίνει αντιύλη ακριβώς στις μισές από τις περιπτώσεις και στις άλλες μισές, ύλη. Η επανάσταση των Lee και Yang δεν άλλαξε τα συμπεράσματα, αλλά μπήκαν νέα ζητήματα. Οι Cronin και Fitch ερμήνευσαν τα αποτελέσματα του πειράματός τους ως μια μικρή αλλά σαφής έλλειψη της συμμετρίας.

Έτσι μια ενδιαφέρουσα συνέπεια του έργου των Cronin-Fitch είναι ότι ενώ αρχικά στο Σύμπαν υπήρχε ισορροπία ύλης και αντιύλης, η ασυμμετρία CP έδωσε μια πολύ μικρή διαφορά ύλης έναντι της αντιύλης. Έτσι το σημερινό σύμπαν  οφείλεται σε αυτή την απειροελάχιστη υπεροχή της ύλης, παρόλη την αμοιβαία εξαφάνιση της πλειοψηφίας της ύλης και όλης της αντιύλης.

Η παραβίαση της ομοτιμίας και το καόνιο

Τα ουδέτερα καόνια είναι σημαντικά ιστορικά σωματίδια για τη συνεισφορά που έχουν για τη κατανόηση των διαδικασιών στα κουάρκ. Όταν ανακαλύφθηκαν αρχικά προς το τέλος της δεκαετίας του ’40 ονομάστηκαν μεσόνια τ και θ, και η αποσύνθεσή τους ήταν ένα μεγάλο μυστήριο, οι φυσικοί δε ονόμασαν αυτό το γρίφο τ-θ. Τα σωματίδια είχαν ακριβώς την ίδια μάζα, και το μόνο πράγμα που τα διαφοροποιούσε προφανώς ήταν οι διαδικασίες αποσύνθεσής τους και το γεγονός ότι τα δύο διαφορετικά σύνολα προϊόντων διάσπασης είχαν διαφορετική ομοτιμία.

Το 1946 οι Rochester και Butler ανακάλυψαν ένα είδος του ουδέτερου καονίου μικρής διάρκειας, κι έτσι παρατήρησαν ένα χαρακτηριστικό σχήμα «V» στο θάλαμο φυσαλίδων. Η διάσπαση που αυτοί είδαν ήταν η εξής:

kaon

Το ουδέτερο Καόνιο δεν άφηνε ίχνος στο θάλαμο φυσαλίδων, έτσι  λοιπόν το ίχνος «V» των πιονίων απέδειξε την παρουσία του, με τη διάσπασή του καονίου.

Η περιγραφή των ουδέτερων καονίων είναι σύνθετη και παράξενη.  Υπάρχουν δύο εκδόσεις αυτού του σωματιδίου με την ίδια μάζα, αλλά διαφορετική χρονική διάρκεια αποσύνθεσης!  Το ένα καλείται Κο short με χρόνο ζωής 9×10-11 sec και το άλλο καλείται Κο long με χρόνο ζωής 9×10-8 sec .

kofcncΤα ουδέτερα καόνια και αντιπροσωπεύουν τα συμμετρικά και αντισυμμετρικά μίγματα των συνδυασμών των κουάρκ down – anti-strange και anti-down – strange.

Loviolata) Το ουδέτερο K μεσόνιο είναι ένας συνδυασμός βραχύβιου Κ1 (πράσινο κορδόνι) και ένα μακρόβιο Κ2 (κόκκινο κορδόνι).

(b) Σε μερικές σπάνιες περιπτώσεις το Κ2 (CP=-1) μετατρέπεται σε Κ1 (CP=+1). Αυτό είναι μιά ένδειξη για έμμεση  CP παραβίαση.

(c) Δείχνει ένα οπτικό ανάλογο φαινόμενο με το φως του Ηλίου να περιέχει μίγμα πολωμένου φωτός

(d) Η πρόσφατη παρατηρουμένη περίπτωση (31-3-1999) στην οποία το K2 φαίνεται άμεσα να διασπάται σε δύο πιόνια Αυτή είναι ένδειξη για άμεση παραβίαση της CP.

Advertisements