Aktualności (nie tylko) fizyczne
Piękna kwantowa strzałka czasu
„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
(cząstek będących parą kwark-antykwark
i
), 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
), 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
o nazwie
Jest to najlżejszy stan, który
rozpada się na dwa mezony piękne, albo naładowane, albo neutralne. Nam chodzi
o te neutralne, będące parą kwark-antykwark
i
Para takich
pięknych mezonów jest produkowana w antysymetrycznym stanie splątanym.
Nie wiadomo, w którą stronę jaki leci (w układzie środka masy
). 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
czy antycząstką
Natomiast rozpad na czarmonium (stan związany kwarku
i antykwarku
) o historycznej nazwie
oraz neutralny
mezon dziwny
wybiera jeden z dwóch ortogonalnych stanów
albo
w zależności, czy powstający
w wyniku rozpadu mezon dziwny jest krótkożyciowy
czy
długożyciowy
, 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
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
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
który, zgodnie z Modelem Standardowym, zdarza się
z częstością
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.