对称性与CP破坏

摘要：介绍了自然界的对称性和对称性破缺机制。介绍了CP对称性与CP破坏，和各国科学家在此方面的研究。以及宇宙大爆炸和早期宇宙同CP破坏的关联。

关键词：对称性，破缺，反物质，CP破坏

一、对称性

自然界充满了各种对称性例如：许多动物的左右对称性、太阳的转动对称性、海星的五重对称性、雪花的六重对称性、……对称性是科学研究中的重要指导性原则之一,也是用来理解自然规律的有力工具。如果自然界中存在很多的对称性,那么我们对它的理解就会容易得多,因为对称性往往都和守恒定律联系在一起。比如说,时间(空间)平移不变性意味着能量(动量)守恒,而空间旋转不变性对应于角动量守恒。然而自然界中的对称性绝大部分都是破缺的。一个典型的例子是李政道和杨振宁在1956年提出的弱相互作用过程中的宇称不守恒[1]。在此之前人们普遍认为物理规律具有坐标反演或镜像反射对称性,即宇称P应该是一个守恒的量子数。吴健雄等实验家在1957年验证了李政道和杨振宁的假说,并发现在弱相互作用中宇称发生最大程度的破缺[2]。

究竟什么是对称性自发破缺呢?考虑一个无穷维的物理体系,如果该系统的拉氏量在某个对称群变换下保持不变,当系统转变到不满足这种对称性的基态时,我们就称之为系统的对称性发生了自发破缺。例如,铁磁体材料在居里温度之上因为没有磁化而具有空间旋转

不变性,这时描述铁磁体的原子理论同样具有这种对称性。当温度降到居里温度以下,铁磁体出现某个方向的磁化,于是三维空间的旋转不变性被破坏,即系统的对称性出现了自发破缺[2]。

由夸克和轻子作为物质的基本组元而建立的粒子物理标准模型取得了极大成功,堪称20世纪物理学最重大的成就之一。目前的研究表明,由这些基本粒子组成的物质世界中,存在四种基本相互作用力,万有引力,电磁相互作用力,弱相互作用力和强相互作用力.后三种相互作用力由规范量子场论来描述,即所谓的粒子物理标准模型.粒子物理标准模型虽然已取得了很大的成功,尤其规范相互作用部分得到了越来越精确实验的验证,但粒子物理学家相信标准模型不可能是一个最基本的理论.因模型中关于对称破缺和夸克禁闭的基本问题仍然是一个悬而而未决的谜,并且涉及到18个未知参数,它们的起源也仍然不清楚.模型中关于电荷共扼一宇称(CP)破坏的起源和机制也仍不清楚,并且标准模型中的CP破坏不足以解释宇宙中观察到的物质一反物质不对称[3].另外,因“中性微子”是形成星系的基础,相信这种暗物质必然存在,一旦实验找到这种暗物质,则对宇宙的未来命运将造成重大影响,宇宙不可能无限持续膨胀,最终会发生坍塌.

二、CP对称与CP破坏

CP对称性即：正粒子－反粒子、左右镜像反演的对称性,它涉及到空间和物质的基本对称性。CP对称性和破缺一直是粒子物理学家探索自然界基本规律的前沿领域粒子反粒子CP是粒子物理学中两个对称运算的乘积：C对称即电荷对称,量子操作为电荷共轭运算，这

个运算将一个带电荷粒子转化为其反粒子；P是宇称，宇称运算造成一个物理系统的镜像。在强相互作用和电磁作用中CP转化运算对整个物理系统不产生任何影响（CP对称），但是在一定的弱相互作用中这个对称被微小地打破。在1950年代时，人们发现宇称破坏后曾设想CP对称可以补救这个破坏[4]。

1964年詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇提供了明显的CP对称被破坏的迹象。为此他们于1980年获得诺贝尔奖。他们的发现显示弱相互作用既破坏了反粒子共轭运算C，同时也破坏了宇称P。这个发现对粒子物理学带来了巨大的冲击，至今为止它为粒子物理学和宇宙学的核心问题打开了大门。CP被微弱地破坏了，但是与此同时又几乎保持了守恒是一个重要的未解之谜。对CP破坏可归结到宇宙大爆炸,与宇宙早期有密切关联.一般认为:物质和反物质是等量产生的,但如今只见物质,反物质粒子虽与物质粒子不同,但两者之间有非常好的对称性,当物质与反物质两者发生湮灭时,只留下能量,主要以光子的形式出现.若如此,在大爆炸中产生的物质和反物质将因湮灭而消失,只剩下一个全是光子的世界.但事实并非如此,事实上在宇宙中每有一个质子就有约1010个光子,即每有十亿个质子与反质子湮灭时,会有一个质子存活下来[5].

克罗宁、菲奇等在一个K介子衰变的实验中发现了CP对称的破坏，在这个物理现象中只有一个更弱的对称被保存了，即CPT对称。在CPT对称中除C和P外还有一个第三个运算符号，即时间反演（T）也必须加入。时间反演与运动反演相应。在物理定理中时间反演对称

表示任何运动的反运动也同样存在。因此CPT对称被看作组成所有基本反应形式的精确对称。由于CPT对称任何破坏CP对称的反应也破坏T对称。也就是说任何破坏CP对称的反应的逆反应发生的可能性与原反应不同。CPT对称被看作是量子场论中的一个基本定理，在这里反粒子共轭运算、宇称和时间反演同时运用[4]。

美国斯坦福直线加速器中心和日本高能加速器研究机构的一代新的试验使用B介子也发现了CP破坏。此前至少理论上有可能CP破坏仅限于K介子。这些试验无疑地证明了标准模型理论中的反应破坏CP。通过在CKM矩阵中加入一个复数项标准模型理论可以包含CP破坏。而这个复数项的引入（也就是CP破坏的引入）则表明至少有三代夸克。至今为止没有任何发现量子色动力学破坏CP的试验[4]。

宇宙物理学中的一个未解的理论问题是为什么在宇宙中物质比反物质多，而不是两者大致一样多。通过一系列有理的假设宇宙学家可以显示在宇宙诞生的大爆炸后数秒内的极端状况下由于CP破坏所导致的不对称可以产生现在观察到的物质-反物质比。不包含CP破坏的解释均不十分可信，因为它们依靠初始状态，而且还与宇宙膨胀说相背，因为宇宙膨胀说稀释这个假设的初始状态。假如CP对称的话大爆炸应该产生同样多的物质和反物质，两者应该相互完全抵消。这将导致一个没有物质，只有光子的宇宙。这显然不是这样的，因此在大爆炸时或大爆炸后物质与反物质的反应显然不同。由于CP对称表明物质与反物质的反应应该相同，因此显然不是在所有情况下CP均对称。因此有人猜测有一个使得重子数与轻子数不相同的力。标准模

型理论中只有两种破坏CP的方法。一个方法是上面提到的量子色动力学的强CP破坏。但是这个理论的结果是要么没有CP破坏，要么CP破坏应该比现在观察到的强许多许多数量级。另一个方法是弱相互作用所导致的很小的CP破坏，但是这个方法预言的破坏所导致的物质-反物质差只留下能够组成一个单个星系的物质。由于标准模型理论对这个物质差做不出精确的预言，这似乎说明标准模型理论有缺陷或者有错误。而且确定这些与CP有关的缺陷不需要巨大的、实际上无法达到的加速器和能量。因此试验粒子物理学对这些问题非常感兴趣，而且一些天体物理学的不同理论（比如宇宙膨胀说和重子产生）需要解释CP破坏的理论基础[4]。

1964年，Cronin和Fitch因发现CP对称性在弱相互作用过程中破坏而荣获诺贝尔物理奖。他们发现的CP对称性破坏是由中性K介子和它的反粒子之间的相互转化而引起的，通常称为间接CP破坏。最近对直接CP破坏的研究取得了重要成果，欧洲日内瓦核子中心和美国费米国家实验室分别于2002年和2003年发表了他们的最终实验结果，首次在中性K介子衰变中确立了自然界中直接CP破坏的存在。理论上也表明它可由六味夸克和六味轻子作为物质的基本组元而建立起来的粒子物理标准模型给予解释，并排除了第五种超弱相互作用解释。2003年，美国SLAC和日本KEK在两个B-介子工厂上也观测到了B-介子衰变中直接CP破坏的证据[4]。

[1]LEE T D,YANG C N.Question of parity conservation inweak interactions[J].Phys

Rev,1956,104:254.

[2]邢志忠,周顺.物质世界的对称性破缺———2008年诺贝尔物理学奖简介.自然杂志

[3]吴岳良.电荷一宇称C)对称性破坏和夸克一轻子味物理.《物理》

[4]CP破坏.维基百科

[5]焦善庆,许弟余,龚自正.物质的对称性及超对称性与大质量标度 .吉首大学学报(自然科学版)