Гипотеза $CP$ - инвариантности привлекательна, как с принципиальной, так и с практической точки зрения. Например, эта гипотеза дала возможность исследовать закономерности протекания множества слабых процессов и особенностей свойств нейтральных $K$ - мезонов (каонов).
Большой неожиданностью для ученых стало обнаружение процесса, который свидетельствовал о нарушении $CP$ - инвариантности. Асимметрия между правым и левым в природе действительно имеется, но ее необязательно приписывать самому пространству, а можно отнести к частицам, которые в нем находятся.
$CP$ -инвариантность
Принцип инвариантности слабого взаимодействия относительно преобразования комбинированной инверсии был сформулирован в 1957 году. Комбинированная инверсия записывается как $CP$. Она заключается в последовательности двух преобразований:
- пространственная инверсия $P$,
- зарядовое сопряжение $C$.
Операция пространственной инверсии $P$ заключается в следующем преобразовании координат частиц вида:
$x,y,z \xrightarrow{P} –x,- y,-z$.
Это преобразование проводится при помощи оператора четности $P$:
$P \Psi (x,y,z)=\Psi (-x,-y,-z)$.
Повторная операция пространственной инверсии осуществляет перевод волновой функции $\Psi (x,y,z)$ в саму себя.
Сущность данной операции в зеркальном отражении.
Частицу и античастицу отличают знаки зарядов:
- электрического,
- барионного,
- лептонного,
- странности,
- шарма,
- красоты,
- истины.
Операция зарядового сопряжения $C$ преобразует частицы в античастицы. Это значит, что $C$ изменяет знаки зарядов. Пространственные переменные, импульсы и моменты импульса частицы не изменяются.
Сильное и электромагнитное взаимодействия являются инвариантными относительно пространственной инверсии ($P$) и зарядового сопряжения ($C$) отдельно.
Слабые взаимодействия не инвариантны относительно $P$ и $C$ по отдельности. В этом случае $CP$ -инвариантность может приводить к дополнительным правилам отбора.
Нарушение $CP$ - инвариантности
В 1964 году ученые – экспериментаторы Дж. Кронин, В. Фитч, Дж. Кристенсон и Р. Турле зарегистрировали двухпионные распады долгоживущих нейтральных $K_L^0$ мезонов:
$K_L^0\to \pi^+ +\pi^- (1),$
которые абсолютно запрещены законом сохранения комбинированной четности. Доля таких распадов составляет 0,2%.
Позднее был обнаружен распад вида:
$K_L^0\to \pi^0 +\pi^0 (2),$
который протекает с относительной вероятностью, которая равна 0,09%. За обнаружение нарушения $CP$ - инвариантности в этих распадах ученые получили Нобелевскую премию.
Нарушение $CP$ - инвариантности ведет к нарушению равенств:
$K_S^0=K_1^0$ и
$K_L^0=K_2^0,$
где $ K_L^0$ - нейтральный долгоживущий каон; $K_S^0$ - нейтральный короткоживущий $K$ - мезон. $K_1^0$ ($K_2^0$) - состояния с комбинированными четностями, равными
$\eta_{CP}=+1 (\eta_{CP}=-1)$.
Короткоживущий и долгоживущий $K$ - мезоны перестали совпадать с $CP$ - четной и $CP$ - нечетной комбинациями $ K_1^0$ и $ K_2^0$, а являются их суперпозицией;
$K_S^0=\frac{K_1^0+\epsilon K_2^0}{\sqrt {1+|\epsilon|^2}}(3)$ и
$K_L^0=\frac{K_2^0+\epsilon K_1^0}{\sqrt {1+|\epsilon|^2}}(4)$,
комплексный параметр $|\epsilon| \cong 2,3\bullet 10^{-3} $.
При этом $K_S^0$ и $K_L^0$ не имеют определенного значения комбинированной четности.
Малость параметра $|\epsilon|$ позволяет пренебречь нормировочными множителями в соотношениях (3) и (4) и записать их как:
$K_S^0=K_1^0+\epsilon K_2^0(5)$ и
$K_L^0=K_2^0+\epsilon K_1^0 (6)$,
Кроме двухпионных распадов (1) и (2) найдены еще только два эффекта, которые противоречат $CP$ -инвариантности. Это асимметрия между лептонными распадами долгоживущих каонов и сопряженных им распадов.
Возможно, что нарушение $CP$ -инвариантности присуще не только каонам. Скорее всего по каким – то причинам они оказываются наиболее чувствительными к данному эффекту.
В этой ситуации особое значение получают эксперименты по измерению дипольного момента нейтрона, существование которого тоже противоречит $CP$ -инвариантности.
Следствием нарушения $CP$ -инвариантности становится:
- абсолютность различия частиц и античастиц;
- разница между правым и левым;
- нарушение $T$- инвариантности;
- наличие стрелы времени в микромире, то есть необратимость элементарных, а не только макроскопических процессов.
Нарушение $CP$ -инвариантности используют для объяснения барионной асимметрии Вселенной. Так как изначально непонятно, почему количество барионов много больше, чем число антибарионов.
Особенное значение проблема $CP$ -неинвариантности получила в последние годы, когда предпринимались попытки объединения всех фундаментальных взаимодействий.
Для объяснения не сохранения комбинированной четности предлагали большое количество разных механизмов.
В 1973 году М. Кобаяши и К. Маскава показали, что в рамках принятой кварковой модели нарушение $CP$ -инвариантности может быть естественно описано только в том случае, если общее число разновидностей кварков не менее шести.
Гипотеза о механизме нарушения $CP$ - инвариантности
Гипотеза о существовании миллислабого взаимодействия была выдвинута для объяснения нарушения $CP$ -инвариантности при распадах долгоживущего нейтрального $K$ - мезона, которое допускает изменение странности $\Delta S = 1$. Эту гипотезу предложили Ли и Вольфштей в 1965 году. Само словосочетание миллислабое взаимодействие ввел Л. Б. Окунь.
Миллислабое взаимодействие инициирует прямой $CP$ -неинвариантный распад (1) и (2) с изменением странности $\Delta S = 1$.
Данное взаимодействие названо миллислабым, так как его эффективность более чем на 3 порядка меньше, чем эффективность слабого нелептонного взаимодействия.
В настоящее время нарушение $CP$ -инвариантности объясняется иными причинами. Гипотезу о миллислабом взаимодействии рассматривают только в контексте развития ядерной физики.
