Przeskocz do treści

Delta mi!

Aktualności (nie tylko) fizyczne

Piękna kwantowa strzałka czasu

Piotr Zalewski

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: styczeń 2013
  • Publikacja elektroniczna: 01-01-2013

„Łatwiej kijek pocienkować, niż go pogrubasić” jest opinią ugruntowaną naszym codziennym doświadczeniem. Przebieg większości zdarzeń jest nieodwracalny. Rzeczy niszczą się same z siebie, bałagan sam się robi, jesteśmy coraz starsi...

Sprzeczność między degradacją materii a jej ciągłym odnawianiem się zaowocowała atomizmem (Leucyp z Miletu, Demokryt z Abdery). Żeby materia nie zużyła się na bezpostaciowy pył, istnieć muszą jej niepodzielne – a tomos – cząstki.

Choć to, co współcześnie nazywamy atomami, niepodzielne nie jest, to się nie starzeje – atomy same z siebie nie ulegają rozkładowi. W świecie kwantów zjawiska wyglądają na całkowicie odwracalne.

Od dawna spodziewano się jednak, że nie do końca. Wszystko przez oddziaływania słabe. Kiedy okazało się, że łamią one nie tylko parzystość P (odróżniają lewo- i prawoskrętność), ale również parzystość kombinowaną CP (złożenie operacji zmiany parzystości z zamianą cząstki na jej antycząstkę), naturalne stało się oczekiwanie, że naruszają również parzystość T, czyli wyróżniają kierunek upływu czasu. Bo tylko jeżeli naruszenie T równoważy naruszenie CP, możliwe jest zachowanie kombinacji CPT. A niezmienniczość złożenia CPT wynika z samej struktury czasoprzestrzeni (z faktu, że oddziaływania opisujemy za pomocą lorentzowsko niezmienniczej lokalnej symetrii cechowania). Jej złamanie byłoby naruszeniem najbardziej podstawowej tkanki naszego rozumienia rzeczywistości. To, oczywiście, byłoby bardzo ciekawe, bo nieoczekiwane.

Bezpośrednie udowodnienie naruszenia symetrii T jest jednak bardzo trudne. Kilka lat temu wykazano, co prawda, zachodzenie takiego naruszenia w systemie neutralnych mezonów math (cząstek będących parą kwark-antykwark math i  math), ale wynik ten został uznany za niejednoznaczny, ponieważ nie udało się całkowicie odseparować symetrii T od symetrii CP.

Skoro sektor neutralnych mezonów dziwnych okazał się niewystarczający, nadzieja pozostała w sektorze neutralnych mezonów pięknych (zawierających kwark lub antykwark math), w którym również udało się wykazać łamanie CP. Niezbędny był tylko dobry pomysł, jak to zrobić [1]. Idea polega na wykorzystaniu danych dotyczących rozpadu stanu związanego kwarku i antykwarku math o nazwie math Jest to najlżejszy stan, który rozpada się na dwa mezony piękne, albo naładowane, albo neutralne. Nam chodzi o te neutralne, będące parą kwark-antykwark math i  math Para takich pięknych mezonów jest produkowana w antysymetrycznym stanie splątanym. Nie wiadomo, w którą stronę jaki leci (w układzie środka masy math). Są one jednak nietrwałe. W momencie, gdy jeden się rozpada, wiadomo, że drugi jest – dokładnie w tym momencie – jego kwantowym dopełnieniem. Różne rozpady ujawniają różne cechy rozpadającego się mezonu. Rozpad półleptonowy ujawnia, czy mezon jest cząstką math  czy antycząstką math  Natomiast rozpad na czarmonium (stan związany kwarku i antykwarku math) o historycznej nazwie math oraz neutralny mezon dziwny math  wybiera jeden z dwóch ortogonalnych stanów math  albo math  w zależności, czy powstający w wyniku rozpadu mezon dziwny jest krótkożyciowy math  czy długożyciowy math , bo są one jego stanami ortogonalnymi (jak widać, tak całkiem bez neutralnych mezonów dziwnych nie można się obejść).

Jeżeli ograniczymy się do wyżej wymienionych rozpadów i to tylko do sytuacji, w której jeden mezon rozpada się półleptonowo, a drugi na parę math  to mamy cztery pary T-sprzężonych stanów końcowych.

W pracy [2] eksperymentu BaBar zrobiono jeszcze więcej, bo wzięto pod uwagę nie tylko stany T-sprzężone, ale również CP- oraz CPT-sprzężone oraz znacznie rozszerzono liczbę identyfikujących stanów końcowych. Wykazano bezpośrednie naruszenie symetrii T na bardzo dużym (jak na pierwszy pomiar) poziomie ufności odpowiadającym math Potwierdzono naruszenie symetrii CP na podobnym poziomie ufności oraz brak naruszenia symetrii CPT.

Jak widać, są piękniejsze od bałaganu sposoby wskazania strzałki czasu.

Piękno ogranicza Zuzię

Nie można pominąć informacji, że zespołowi eksperymentu LHCb udało się zaobserwować jeden z najbardziej poszukiwanych rozpadów math który, zgodnie z Modelem Standardowym, zdarza się z częstością math ppb.

Obserwacja jest zgodna z tym przewidywaniem, co znacznie ogranicza swobodę modeli wykraczających poza Model Standardowy, np. popularnych scenariuszy SUSY, takich jak CMSSM. Jest to, między innymi, silne ograniczenie na minimalną masę supersymetrycznego partnera kwarku top.


Źródła
[1]
J. Bernabéu, F. Martínez-Vidal i P. Villanueva-Pérez, Time reversal violation from the entangled math system, arXiv:1203.0171v1.
[2]
BaBar Collaboration, Observation of time reversal violation in the math meson system, arXiv:1207.5832v3.
[3]
LHCb Collaboration, First evidence of the decay math , CERN-PH-EP-2012-335.