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囿金
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1 2017 年威海粒子物理暑期学校 CP 破坏和味物理研究张黎明清华大学

2 极化和螺旋度 l 坐标轴的选取要有物理意义极化 (Polarisation) l 比如选取磁场或电场方向为 z 方向, 自旋在此方向的投影螺旋度 (Helicity) l 没有外场时, 选取粒子的运动方向 p, 自旋在此方向的投影 J p p B z m A z λ A θ p 粒子 A θ p 粒子 A 2

3 中微子螺旋度的确定 s e = -1/2 e - s e = +1/2 152 Eu J=0 l 1957 年,Goldhaber et al. 研究了铕元素对电子的俘获 e - e - R 152 Sm s = +1/2 s = -1/2 J=0 J=0 s = -1 s = +1 L 152 Sm l 光子和中微子的自旋之和等于电子的自旋 l 从光子的螺旋度可以确定中微子的螺旋度只观测到了左旋中微子 Not Observed! Observed! 3

4 中微子螺旋度的确定 l 1957 年,Goldhaber et al. 研究了铕元素对电子的俘获 l 光子和中微子的自旋之和等于电子的自旋 l 从光子的螺旋度可以确定中微子的螺旋度只观测到了左旋中微子上帝是个左撇子! 4

5 中微子的 C,P 和 CP 变换 P C CP 5

6 中微子系统的 C 破坏 P 破坏和 CP 守恒 ν µ µ + µ - 左手中微子右手中微子在自然界没发现 π + P C π - π + P CP C µ + ν µ ν µ CP 右手反中微子对中微子,C 和 P 对称性分别被最大程度地破坏, 但 CP 守恒 CP 不变性在弱作用中有没有普适性? 下一节让我们看 K 0 介子系统 6

7 第一讲 CP 破坏的研究意义和历史回顾 7

Dirac 预言 1933 诺贝尔物理学奖诺贝尔奖发言 : If we accept the view of complete symmetry between positive and negative electric charge so far as concerns the fundamental laws of Nature, we must regard it rather as

8 Dirac 预言 1933 诺贝尔物理学奖诺贝尔奖发言 : If we accept the view of complete symmetry between positive and negative electric charge so far as concerns the fundamental laws of Nature, we must regard it rather as an accident that the Earth (and presumably the whole solar system), contains a preponderance of negative electrons and positive protons. It is quite possible that for some of the stars it is the other way about, these stars being built up mainly of positrons and negative protons. In fact, there may be half the stars of each kind. The two kinds of stars would both show exactly the same spectra, and there would be no way of distinguishing them by present astronomical methods. 8

寻找反物质 l 宇宙由物质组成, 反物质极其稀少 l 至今为止, 宇宙中没有找到由反物质占主导的区域 q q 假设宇宙中有反物质存在的区域, 这些区域与物质存在的区域的边界上由于湮灭效应会发射出很强的伽玛射线, 但是至今人们并没有观测到这种伽玛射线反物质星的宇宙线 :Anti- 4

9 寻找反物质 l 宇宙由物质组成, 反物质极其稀少 l 至今为止, 宇宙中没有找到由反物质占主导的区域 q q 假设宇宙中有反物质存在的区域, 这些区域与物质存在的区域的边界上由于湮灭效应会发射出很强的伽玛射线, 但是至今人们并没有观测到这种伽玛射线反物质星的宇宙线 :Anti- 4 He/ 4 He Alpha Magnetic Spectrometer Experiment on board the International Space Station AMS-02 launched 16 th May 2011 Anti- 4 He/ 4 He ratio 9

10 大爆炸普朗克时间暴涨期粒子期核形成时期物质期化学期 10-6 秒前宇宙处于夸克胶子等离子体 QGP 状态 10

11 描述正反物质不对称性 l 重子光子比 η B = (n B n B 0)/n γ l QGP 时代结束前 : 温度足够高, 正反重子不停地成对产生并很快湮灭成光子 ( 第二时期 ) l 温度到 1GeV(10 13 C) 以下时, 这里正反重子很快湮灭成光子, 而不再产生正反重子 ( 第三时期 ): 光子数稳定 l 观测结果是 :η B ~ p 核合成期微波背景辐射期得到的结果相同 p 两个过程温度相差 1 百万倍, 却给出几乎相同的结果 p 至少从大爆炸核合成期 ( 第四 ) 开始已经出现 p 标准模型利用现有的 CP 破坏理论预言是

12 Sakharov 条件 (1967) l 重子数不守恒宇宙是从什么也没有开始! l 物质和反物质性质的差异 (C 破坏和 CP 破坏 ) Γ(X Y + B) Γ(X Y + B) 只要 C 或 CP 中任意对称性存在, 重子数破坏的反应过程就会产生相同数量的重子和反重子 l 早期宇宙的热不平衡状态 Γ(X Y + B) > Γ(Y + B X) 否则产生的重子数不对称性会被逆过程抵消 12

13 Baryon Asymmetry in Universe (BAU) 的动力学产生 l 假设相同的物质 (X) 和反物质 (X0) l X 衰变到 A ( 重子数 N A ) 几率 p B( 重子数 N B ) 几率 1 p l X0 衰变到 A0 ( 重子数 N A ) 几率 p0 B0( 重子数 N B ) 几率 1 p0 l 产生的重子数不对称 ΔN tot = N A p + N B 1 p N A p0 N B 1 p0 = (p p0)(n A N B ) ΔN tot 0 的必要条件是 p p0 并且 N A N B C 破坏和 CP 破坏重子数不守恒 13

14 什么是 CP 破坏? C( 电荷共轭 ) 变换 : 粒子反粒子 P( 宇称 ) 变换 : 左右 ( 镜像变换 ) CP 对称性 :CP 联合变换下物理规律的不变性 Start with particle and antiparticle Change particle into antiparticle C P Reflect co-ordinates in a mirror ( parity ) gets back the original result So the matter-antimatter asymmetry in the CP 联合对称性的破缺简称 CP 破坏 14

15 K 0 介子系统 l pp 对撞通过强作用过程产生味本征态 K 0 =ds 和 K 0 =sd onserved: + p K 0 + u0d uud scd uds s: p K 0 + p+ K + d0u uud d0s uud scu s: l 通过弱作用过程,K 0 和 K 0 互相转换 S=+1 d K 0 W + W - K 0 s u u s d S=-1 15

16 如果 CP 守恒 l 实验观察到的是两类中性介子 ( 质量本征态 ):K 0 L 和 K 0 S K 0 L: L for Long, 寿命秒 K 0 S: S for Short, 寿命秒 l CP 本征态 CP 1 l 如果 CP 守恒 K0 1 1 = K 0 + K 0 K0 1 CP = K 0 K 0 2 K 0 S: 对应 K 0 1, 只能衰变到 CP=+1 末态, 比如 p + p - K 0 L: 对应 K 0 2, 只能衰变到 CP=-1 末态, 比如 p + p - p 0 是否存在 CP 不守恒过程 K 0 L p + p -? 16

17 实验寻找 K 0 L p + p - l 1964 年 Cronin 和 Fitch 进行如下实验 Left sideband K 0 飞行 20 米后到达探测器, 短寿命 K 0 S 基本衰变, 剩下长寿命的 K 0 L + magnet K 0 L region K L 0 Lead collimator Helium bag Spark chambers Cherenkov detectors magnet K 0 L 质量约 498 MeV - Right sideband q 为 p + p - 动量方向与 K 0 L 束流方向夹角两体衰变的 q 为零度实验发现了 K 0 L p + p - cosq 17

CP 破坏的发现 l Cronin 和 Fitch 发现 K 0 L p + p -, 证明弱作用中

K0 S = --------------------- 1 K0 1 + K0 2 1 + 2

18 CP 破坏的发现 l Cronin 和 Fitch 发现 K 0 L p + p -, 证明弱作用中 CP 对称性破缺 1980 诺贝尔物理学奖 J. Cronin & V. Fitch Most of the time 0.2% of the time! CP 1 l K 0 L 和 K 0 S 不是 CP 本征态 : = CP 1 K0 S = K0 1 + K K0 L = K0 1 + K 理论上如何解释 CP 破坏? 让我们从夸克混合说起 18

19 B 0 -B 0 震荡薛定谔方程 æ i i ö 0 M M d æp ö ç - G - G 2 2 æp ö i = ç dt 0 i i 0 ç P ç * * M P è ø M ç - G - G è ø è 2 2 ø b [DB=2] t d d W t t W b B 0 B 0 t 本征值 λ L,H m L,H i 2 Γ L,H = M i 2 Γ ± q p M 12 i 2 Γ 12 质量本征态 0 0 PH = p P + q P 0 0 PL = p P -q P 重要参数 ( 时间分布震荡频率 ) 19

20 B 0 的时间演化 20

21 B 0 的时间演化 P 0 t R = g P t P 0 R + q p g7(t) P00 R P00 Δt R = p q g 7(t) P 0 R + g P t P00 R 其中 g P 和 g 7 函数可以通过把 P 0 R 和 P00 R 分解成质量本征态按薛定谔方程演化得到 21

22 初态 X 0 时间演化 (-) 2 -Gt 0 0 e é DGt ù Pt ( ) = X X ( t) = 1 cosh( ) cos( mt) 2 ê + ± D ë 2 ú û Assuming p = q P(X 0 t X 0 ) P(X 0 t X00 ) 22

23 小结 l CP 破坏是产生宇宙物质反物质不平衡的必要条件 l 弱作用中 C P 和 CP 都不守恒 l K 介子和 B 介子系统 (2001) 都存在 CP 破坏 23

24 24