Quinn Helen R. Witherell Michael S. - Asymetria materii i antymaterii.pdf - świat nauki - joliet_

Asymetria

materii i antymaterii

Nowe akceleratory umoýliwi poszukiwanie przejaww ¸amania jednej

z podstawowych symetrii przyrody, otwierajc w ten sposb okno na nieznane

Helen R. Quinn i Michael S. Witherell

Wszechæwiecie uderza zasadniczy

brak rwnowagi. Gwiazdy, planety,

planetoidy czy meteory Ð wszystko sk¸a-

da si« z materii. Antymateria praktycz-

nie nie wyst«puje.

Czy ta nierwnowaga jest przypad-

kowym rezultatem losowego zdarzenia

w okresie powstawania Wszechæwiata?

A moýe to nieunikniona konsekwencja

jakiejæ asymetrii w prawach przyrody?

Teoretycy wierz, ýe przewaga materii

wynika z fundamentalnych rýnic w

zachowaniu materii i antymaterii. Spro-

wadzaj si« one do ¸amania symetrii

zwanej parzystoæci kombinowan lub

CP (charge-parity reversal).

Po latach wysi¸kw doæwiadczalnicy

i teoretycy stworzyli podstawy teo-

retyczne ¸amania symetrii CP w ramach

panujcej w fizyce czstek teorii zwanej

Modelem Standardowym. Ciekawe, ýe

daje on jednak ¸amanie CP zbyt s¸abe,

by wyjaænia¸o przewag« materii we

Wszechæwiecie.

Ustalenie to jest istotn wskazwk,

ýe Model Standardowy nie ca¸kiem si«

sprawdza i prawdopodobnie wymaga

uwzgl«dnienia jakichæ nieznanych czyn-

nikw. Czy b«d to jednak tylko po-

prawki, czy teý trzeba zastpi go czymæ

zupe¸nie nowym Ð odpowiedz badania

zwizane z ¸amaniem symetrii CP pro-

wadzone na dwch nowych akcelerato-

rach, z ktrych jeden budowany jest w

Kalifornii, a drugi w Japonii. Te urz-

dzenia produkujce ogromn liczb«

czstek, zwanych mezonami B , okreæla

si« mianem fabryk B ; stanowi one b«-

d najnowsze narz«dzia do poszukiwaÄ

praw fizyki wychodzcych poza Model

Standardowy.

Model Standardowy obejmuje wszyst-

ko, co wiemy o podstawowych w¸asno-

æciach materii. Opisuje setki obserwo-

wanych czstek i ich oddzia¸ywania za

pomoc niewielu sk¸adnikw: szeæciu

kwarkw i szeæciu leptonw. (Leptony

FABRYKA B , niedawno wybudowana w Stanford

Linear Accelerator Center, zacznie zbiera dane

z pocztkiem 1999 roku. B«dzie bada¸a ¸amanie

symetrii kombinowanej parzystoæci czstek B Ð

jeden z otwartych problemw fizyki XXI wieku.

DETEKTOR BABAR

POZYTONY

ELEKTRONY

78 å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1998

J ak daleko daje si« si«gn okiem, we

DZIAüKO ELEKTRONOWE

ciadlanym odbiciem obrconym o kt

180¡ wok¸ osi prostopad¸ej do po-

wierzchni lustra [ ramka na stronie 82 ].

Wed¸ug terminologii matematycznej in-

wersja zmienia zwroty wektorw zwi-

zanych z obiektami.

Teoria ma symetri« parzystoæci P, jeæli

prawa fizyki s identyczne w æwiecie od-

bitym i rzeczywistym. Czstki takie jak

leptony i kwarki moýna sklasyfikowa

jako lewoskr«tne lub prawoskr«tne za-

leýnie od kierunku ich wewn«trznej ro-

tacji, czyli spinu, wok¸ kierunku ich ru-

chu. Jeýeli symetria P obowizuje, to cz-

stki prawoskr«tne zachowuj si« dok¸ad-

nie tak samo jak lewoskr«tne.

Prawa elektrodynamiki i silnych od-

dzia¸ywaÄ s takie same w æwiatach

zmieniajcych si« przez inwersj«. W

s¸ynnym eksperymencie z roku 1957

Chien-Shiung Wu z Columbia Univer-

sity i jej wsp¸pracownicy stwierdzili,

ýe oddzia¸ywania s¸abe s zupe¸nie od-

mienne dla czstek o rýnych skr«tno-

æciach. Co dziwne, tylko lewoskr«tne

czstki mog si« rozpada przez s¸abe

oddzia¸ywania, prawoskr«tne nie. Po-

nadto o ile wiadomo, nie ma prawoskr«t-

nych neutrin Ð te czstki s zawsze le-

woskr«tne. Poniewaý neutrina oddzia-

¸uj z reszt Wszechæwiata wy¸cznie

s¸abo, ten brak symetrii przypisuje si«

si¸om s¸abym. Tak wi«c to s¸abe si¸y ¸a-

mi symetri« P.

Inn podstawow symetri przyrody

jest sprz«ýenie ¸adunkowe oznaczane C.

Ta operacja zamienia liczby kwantowe

kaýdej czstki w liczby kwantowe jej an-

tyczstki. Sprz«ýenie ¸adunkowe takýe

jest ¸amane przez s¸abe oddzia¸ywania:

antyneutrina nie s lewo-, lecz prawo-

skr«tne.

Teoretycy ¸cz operacje C i P w opera-

cj« CP, ktra zmienia wszystkie czstki

w antyczstki i odwraca kierunki wszyst-

kich wektorw. Pod wp¸ywem operacji

CP lewoskr«tne neutrino przechodzi w

prawoskr«tne antyneutrino. Prawoskr«t-

ne antyneutrino nie tylko istnieje, ale je-

go oddzia¸ywania z innymi czstkami s

takie jak lewoskr«tnych neutrin. W ten

sposb chociaý symetrie sprz«ýenia ¸a-

dunkowego C i parzystoæci P s kaýda

z osobna ¸amane dla neutrin, ich kombi-

nacja CP jest obowizujc symetri.

Ku zaskoczeniu fizykw historia CP

okaza¸a si« bardzo skomplikowana. W

roku 1917 niemiecka matematyczka

Emmy Noether wykaza¸a, ýe kaýdej sy-

metrii odpowiada istnienie zwizanej

z ni pewnej wielkoæci, ktra jest zacho-

wywana, czyli niezmienna. Na przyk¸ad

fakt, ýe czasoprzestrzeÄ jest taka sama

we wszystkich kierunkach Ð a wi«c ma

symetri« wzgl«dem obrotw Ð prowa-

dzi do zachowania momentu p«du. Z

Podstawowe znaczenie dla ¸amania

symetrii CP ma klasa czstek z¸oýonych

zwanych mezonami. Mezon sk¸ada si«

z kwarka i antykwarka Ð zawiera wi«c

dok¸adnie tyle samo materii, co antyma-

terii. Kaony, czyli mezony K , to bardzo

waýna grupa mezonw. Zawieraj par«

dziwny kwark (lub dziwny antykwark)

Ð antykwark (lub kwark) grny albo dol-

ny. Kaony s pod wieloma wzgl«dami

podobne do mezonw B , ktre zbudo-

wane s z kwarka lub antykwarka pi«k-

nego oraz z odpowiedniego partnera

grnego albo dolnego.

RîDüO POZYTONîW

Poza modelem

to lekkie czstki, takie jak elektron i neu-

trino.) Poza tym kaýdy kwark czy lep-

ton ma antyczstk« tej samej masy, ale

z przeciwnymi znakami niektrych liczb

kwantowych, na przyk¸ad ¸adunku elek-

trycznego. Te podstawowe sk¸adniki

tworz trzy ãrodzinyÓ o coraz wi«kszej

masie czstek [ ramka na stronach 80Ð81 ].

Pierwsza z tych rodzin dostarcza wszyst-

kich sk¸adnikw materii dominujcej we

Wszechæwiecie.

Model Standardowy opisuje trzy ro-

dzaje oddzia¸ywaÄ mi«dzy czstkami:

powszechnie znane oddzia¸ywanie elek-

tromagnetyczne oraz oddzia¸ywania s¸a-

be i silne. (Dla tak lekkich czstek si¸y

grawitacyjne s bez znaczenia.) Oddzia-

¸ywania silne wiý kwarki, ktrych ni-

gdy nie widzi si« w pojedynk«, tworz-

ce czstki z¸oýone takie jak protony.

Oddzia¸ywania s¸abe powoduj niesta-

bilnoæci Ð szczeglnie powolne rozpady

wszystkich ci«ýszych kwarkw i lepto-

nw na lýejsze kwarki i leptony.

Wszystkie te si¸y s przenoszone przez

specjalne czstki, ktre takýe uwzgl«dnia

Model Standardowy: fotony, gluony

oraz bozony W i Z . Wreszcie wymaga

on istnienia dotd nie zaobserwowanej

czstki Higgsa, ktrej oddzia¸ywaniom

przypisuje si« masy kwarkw i lepto-

nw oraz wiele innych ich w¸aæciwoæci.

Cho Model Standardowy dobrze

si« sprawdza w opisie zachowania si«

materii, to jednak wiele dog¸«bnych py-

taÄ nadal pozostawia bez odpowiedzi.

Fizycy nie pojmuj mechanizmu wyzna-

czajcego jego 18 parametrw. Aby do-

brze on opisywa¸ znany nam æwiat, war-

toæci niektrych musz by bardzo pre-

cyzyjnie dopasowane, a nikt nie wie, dla-

czego s akurat takie, a nie inne. Na po-

ziomie bardziej podstawowym nie ro-

zumiemy, z jakiej przyczyny ten model

w ogle opisuje przyrod« Ð dlaczego na

przyk¸ad powinny by trzy rodziny lep-

tonw i kwarkw, a nie mniej albo wi«-

cej? Poza tym fragment teorii dotycz-

cy czstki Higgsa nie zosta¸ jeszcze po-

twierdzony doæwiadczalnie. Duýy ak-

celerator hadronw budowany obecnie

w CERN (Europejskim Laboratorium Fi-

zyki Czstek pod Genew) pozwoli za-

obserwowa czstki Higgsa, jeæli ich w¸a-

snoæci s takie jak przewidywane przez

Model Standardowy. Przypuszczalnie

z czstk Higgsa wiýe si« wi«kszoæ ta-

jemnic tego modelu, w tym ¸amanie sy-

metrii CP.

Mwimy, ýe teoria fizyczna wykazu-

je symetri«, jeýeli jej prawa stosuj si«

takýe po tym, gdy operacja, na przyk¸ad

odbicie zwierciadlane, przekszta¸ci cz«æ

uk¸adu fizycznego. Waýnym przyk¸a-

dem jest operacja inwersji, oznaczana li-

ter P. Zast«puje ona obiekt jego zwier-

å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1998 79

twierdzenia Noether wynika, ýe gdyby

parzystoæ kombinowana by¸a dok¸ad-

n symetri przyrody, to wielkoæ zwa-

na liczb CP by¸aby zachowana.

wydaj si« bardzo podobne do siebie,

maj czasy ýycia rýne o czynnik oko-

¸o 500 [ dolna ilustracja na stronie 81 ].

Kaon z liczb CP rwn +1 moýe si«

zmieni w dwa piony, czyli w stan

z t sam liczb CP. Ten proces za-

chodzi szybko, bo wystarczajco ci«ý-

ki kaon ¸atwo tworzy dwa piony. Na-

tomiast kaon z liczb CP rwn Ð1

moýe si« tylko rozpada na inny stan

z liczb CP rwn Ð1, to znaczy na

trzy piony. To trwa d¸ugo, albowiem

na wyprodukowanie trzech pionw

zaledwie wystarcza masy kaonu. Kie-

dy fizycy odkryli oprcz krtko ýy-

jcego kaonu takýe ten d¸ugo ýyjcy,

zdobyli silny argument na to, ýe dla

kaonw obowizuje symetria CP.

îw prosty obraz trzeba by¸o zmo-

dyfikowa, gdy w 1964 roku James

Christenson, James Cronin, Val Fitch i

Ren Turlay w prze¸omowym ekspery-

mencie przeprowadzonym w Brook-

haven National Laboratory zaobser-

wowali, ýe mniej wi«cej jeden na kaýde

500 d¸ugo ýyjcych kaonw (tych z licz-

b CP rwn Ð1) rozpada si« na dwa

piony. Gdyby CP by¸o dok¸adn sy-

metri przyrody, takie rozpady by¸yby

zakazane. Ma¸o eksperymentw w fi-

zyce czstek da¸o tak zdumiewajcy

wynik. Teoretycy nie mogli zrozumie,

dlaczego symetria CP by¸a ¸amana.

Jeszcze trudniej by¸o zrozumie, dlacze-

go to ¸amanie by¸o takie s¸abe.

W roku 1972 Makoto Kobayashi i To-

shihide Maskawa z Uniwersytetu w Na-

goya w Japonii wykazali, ýe symetria

CP moýe by ¸amana w Modelu Stan-

dardowym, jeæli istniej trzy rodziny

kwarkw lub wi«cej. Tak si« z¸oýy¸o, ýe

w tym czasie znana by¸a tylko pierwsza

rodzina zawierajca kwarki grny i

dolny, a z drugiej rodziny znano jedynie

kwark dziwny. To wyjaænienie ¸amania

CP zacz«¸o wi«c zyskiwa popularnoæ

dopiero w 1975 roku, kiedy Martin L.

Perl i jego wsp¸pracownicy ze Stanford

Czstki

z Modelu Standardowego

Z¸amanie CP

ny, dziel si« na rodziny. Pierwsza ro-

dzina zawiera kwark grny i dolny oraz ich

antykwarki, elektron, jedno z neutrin i ich

antyczstki.

Zwyk¸a materia jest zbudowana niemal wy-

¸cznie z czstek pierwszej rodziny: jdro

atomowe zawiera protony i neutrony, ktre

sk¸adaj si« z kwarkw grnych i dolnych.

Pozosta¸e rodziny wyst«powa¸y we wcze-

snym Wszechæwiecie, a dziæ mog znajdo-

wa si« w ærodowisku takim jak gwiazdy

neutronowe i s obserwowane w doæwiad-

czeniach akceleratorowych.

Ponadto Model Standardowy zawiera cz-

stki przekazujce si¸y oraz tajemnicz, dotd

nie zaobserwowan tzw. czstk« Higgsa.

Jest ona odpowiedzialna za masy wszyst-

kich czstek oraz za ¸amanie symetrii parzy-

stoæci kombinowanej.

Czstka i jej antyczstka poruszajce

si« w przeciwnych kierunkach z t sa-

m energi tworz par« symetryczn

wzgl«dem parzystoæci kombinowanej:

operacja CP nie zmienia uk¸adu (jako

ca¸oæci) poza tym, ýe matematyczna re-

prezentacja tego stanu nabywa dodat-

kowy czynnik liczbowy. Ten czynnik to

liczba CP.

Poddajc uk¸ad dwukrotnie operacji

C lub P, otrzymujemy ponownie stan

wyjæciowy uk¸adu. Ta w¸asnoæ wyraýa

si« wzorem C 2 = P 2 = 1 (gdzie 1, opera-

cja identycznoæci, niczego nie zmienia).

Wynika z tego, ýe liczbami CP mog by

tylko +1 i Ð1. Gdyby w przyrodzie obo-

wizywa¸a idealna symetria wzgl«dem

parzystoæci kombinowanej, to zgodnie

z twierdzeniem Noether ýaden stan fi-

zyczny z liczb CP rwn Ð1 nie mg¸by

przejæ w stan z liczb CP rwn +1.

Rozwaýmy kaony z ich zerowym ¸a-

dunkiem elektrycznym. Mezon K 0 sk¸a-

da si« z kwarka dolnego i z antykwarka

dziwnego, a mezon anty- K 0 z anty-

kwarka dolnego i z kwarka dziwnego.

Poniewaý operacja CP przekszta¸ca kaý-

dy kwark na odpowiadajcy mu anty-

kwark, zamienia te mezony jeden w

drugi. To znaczy, ýe ýaden z neutral-

nych kaonw nie ma okreælonej liczby

CP. Teoretycy potrafi jednak zbudo-

wa dwa stany kaonw z okreælonymi

liczbami CP, sk¸adajc odpowiednio

funkcje falowe mezonw K 0 i anty- K 0 .

Zgodnie z zasadami mechaniki kwan-

towej te mieszanki odpowiadaj praw-

dziwym czstkom, majcym dobrze

okreælone masy i czasy ýycia.

Zachowanie liczby CP t¸umaczy dziw-

ny fakt: te dwa mieszane kaony, ktre

CZSTKI PRZEKAZUJCE SIüY

BOZONY POåREDNICZCE

W ODDZIAüYWANIACH SüABYCH

FOTON GLUON

CZSTKA

HIGGSA

(tau), pierwsz czstk«

z trzeciej rodziny. Dwa lata pniej fi-

zycy z Fermi National Accelerator La-

boratory (Fermilab) w Batavii (Illinois)

znaleli kwark pi«kny. Trzecia rodzina

zosta¸a skompletowana dopiero niedaw-

no, kiedy Ð rwnieý w Fermilab Ð od-

kryto kwark t [patrz: Tony M. Liss i Paul

L. Tipton, ãOdkrycie kwarka topÓ; åwiat

Nauki , listopad 1997]

Generowanie braku symetrii

Moýna sobie wyobrazi, ýe Wszech-

æwiat narodzi¸ si« juý niesymetryczny,

czyli z liczb czstek nierwn liczbie

antyczstek. Taka pocztkowa nierw-

nowaga zosta¸aby jednak szybko wy-

eliminowana, gdyby we wczesnym

Wszechæwiecie mg¸ zachodzi jakikol-

wiek proces, zmieniajcy liczb« bario-

now, tzn. rýnic« mi«dzy liczb bario-

nw i antybarionw. (Uoglnienia Mo-

delu Standardowego, znane jako teorie

wielkiej unifikacji, przewiduj, ýe tuý

po Wielkim Wybuchu takie procesy by-

¸y bardzo powszechne.) Teoretycy wo-

l inny scenariusz, wed¸ug ktrego

czstki i antyczstki by¸y rwnie liczne

we wczesnym Wszechæwiecie, ale czst-

ki zacz«¸y dominowa, w miar« jak ten

si« rozszerza¸ i styg¸.

CZSTKA

NAZWA

ANTYCZSTKA

SYMBOL

ZAWARTOå

NAZWA

SY M BOL

ZAWARTOå

PROTON

NEUTRON

PI-PLUS

PI-ZERO

K-ZERO

B-ZERO

u u

ANTYPROTON

ANTYNEUTRON

PI-MINUS

ANTY-PI-ZERO

ANTY-K-ZERO

ANTY-B-ZERO

K 0

B 0

CZSTKAMI ZüOûONYMI s albo bariony (takie jak proton i neutron) zbudowane

z trzech kwarkw, albo mezony z¸oýone z jednego kwarka i jednego antykwarka. Najpo-

spolitszym mezonem jest pion zawierajcy kwarki i antykwarki grne i dolne. Mezony

K i B , istotne w badaniach nad ¸amaniem symetrii CP, zawieraj odpowiednio kwarki (lub

antykwarki) dziwne i pi«kne.

80 å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1998

P ierwotne sk¸adniki materii, kwarki i lepto-

Linear Accelerator Center (SLAC) od-

kryli lepton

SKüADNIKI MATERII

nim powsta wyrana przewaga liczeb-

na barionw nad antybarionami. W

koÄcu Wszechæwiat tak si« och¸odzi¸, ýe

produkcja barionw i antybarionw nie

by¸a juý moýliwa, bariony i antybariony

natomiast mog¸y ze sob anihilowa.

Niestety, gdy teoretycy wyliczyli, ja-

k nierwnowag« mi«dzy materi i an-

tymateri moýe wytworzy taki mecha-

nizm, otrzymali wynik o wiele rz«dw

wielkoæci za ma¸y. To niepowodzenie

pokazuje, ýe ¸amanie symetrii CP musi

si« objawia jeszcze w jakiæ inny sposb

i co za tym idzie, Model Standardowy

moýe by niepe¸ny.

Najprawdopodobniej dobrym miej-

scem do szukania dalszych przejaww

¸amania symetrii CP jest fizyka mezo-

nw B . Wed¸ug przewidywaÄ Modelu

Standardowego rozpady mezonw B 0

i anty- B 0 powinny by wysoce niesy-

metryczne. Mezon B 0 zawiera kwark

dolny zwizany z antykwarkiem pi«k-

nym, a mezon anty- B 0 Ð antykwark dol-

ny i kwark pi«kny. Czstki te zachowuj

si« podobnie jak omawiane wczeæniej

kaony, gdyý obserwowane mezony B

stanowi mieszaniny mezonw B 0

CZSTKA

SYMBOL

üADUNEK

MASA

(GeV / c 2 )

PIERWSZA RODZINA

GîRNY

+2/3

0.03

KWARKI

DOLNY

e -

Ð1/3

0.06

ELEKTRON

NEUTRINO ELEKTRONOWE

Ð1

0.0005

LEPTONY

n e

DRUGA RODZINA

CHARM

POWABNY

+2/3

1.3

KWARKI

DZIWNY

MION

Ð1/3

Ð1

0.14

0.106

H Y

LEPTONY

NEUTRINO MIONOWE

n m

TRZECIA RODZINA

TOP

PI¢KNY

+2/3

Ð1/3

174

4.3

KWARKI

LEPTONY

TAU

Ð1

1.7

anty- B 0 .

Rozwaýmy ewolucj« mezonu B 0 wy-

tworzonego w okreælonym momencie.

W jakiejæ pniejszej chwili obserwator

z pewnym prawdopodobieÄstwem mo-

ýe znale t« sam czstk«, ale teý ist-

nieje pewne prawdopodobieÄstwo zna-

lezienia jej antyczstki, czyli anty- B 0 .

Taki osobliwy stan mezonu, oscylujcy

mi«dzy danym uk¸adem kwarkÐanty-

kwark i jego antyczstk, jest pi«kn ilu-

stracj zasad mechaniki kwantowej.

NEUTRINO TAUONOWE

Rosyjski fizyk (i dysydent) Andriej Sa-

charow wskaza¸ trzy niezb«dne do spe¸-

nienia warunki, aby taka asymetria mo-

g¸a si« rozwin. Po pierwsze, musz

wyst«powa procesy, ktre nie zacho-

wuj liczby barionowej. Po drugie, roz-

szerzajcy si« Wszechæwiat nie powinien

osiga rwnowagi termodynamicznej.

(W rwnowadze termodynamicznej sta-

ny o takiej samej energii zawieraj takie

same liczby czstek; a zatem z faktu, iý

czstki i antyczstki maj takie same ma-

sy, czyli i energie, wynika¸oby, ýe by¸y

produkowane w tych samych iloæciach.)

Po trzecie, symetria CP Ð w praktyce sy-

metria mi«dzy czstkami i antyczstka-

mi Ð musi by ¸amana. W przeciwnym

razie jakikolwiek proces, ktry zmienia

iloæ materii, by¸by rwnowaýony przez

analogiczny proces dla antymaterii.

Wed¸ug obowizujcej obecnie teorii

w chwili narodzin Wszechæwiata ærednia

wartoæ pola kwantowego odpowiada-

jcego czstce Higgsa wsz«dzie rwna-

¸a si« zeru. Nagle gdzieæ powsta¸ p«che-

rzyk z obecn niezerow wartoæci tej

æredniej. Na zewntrz p«cherzyka ma-

sy czstki i antyczstki by¸y rwne ze-

ru. Wewntrz p«cherzyka natomiast od-

dzia¸ywa¸y z polem Higgsa i nabiera¸y

masy. Kiedy p«cherzyk rs¸, czstki i an-

tyczstki przez powierzchni« przenika-

¸y do jego ærodka. Pr«dkoæci przenika-

nia czstek i antyczstek by¸y jednak rý-

ne ze wzgl«du na ¸amanie symetrii CP.

Powstajca na skutek tego nierwnowa-

ga mi«dzy liczbami barionw i antyba-

rionw na zewntrz p«cherzyka by¸a

szybko likwidowana przez procesy nie

zachowujce liczby barionowej.

Wewntrz p«cherzyka jednak proce-

sy nie zachowujce liczby barionowej

by¸y niezwykle rzadkie i nierwnowa-

ga pozostawa¸a ãzamroýonaÓ. Przez

czas, kiedy p«cherzyk si« rozszerza¸, ýe-

by zaj ca¸y Wszechæwiat, zdýy¸a w

Pi«kno problemu

Do prowadzenia badaÄ ¸amania sy-

metrii CP eksperymentatorzy potrzebu-

j rozpadw mezonw B 0

na stany o

KRîTKI

CZAS ROZPADU 0.9 x 10 Ð10 s

DüUGI

CZAS ROZPADU 0.5 x 10 Ð7 s

ODLEGüOå LUB CZAS PRZELOTU

NEUTRALNE KAONY, czyli mezony K , s obserwowane z dwoma bardzo rýnymi czasa-

mi ýycia. Jeden typ neutralnych kaonw rozpada si« szybko na dwa piony, a drugi powo-

li na trzy. Rýne zachowanie tych dwu neutralnych kaonw wynika z tego, ýe maj prze-

ciwne liczby CP. Czasami jednak kaon drugiego rodzaju rozpada si« na dwa piony, co

dowodzi, ýe parzystoæ kombinowana jest ¸amana.

å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1998 81

Parzystoæ kombinowana

jest bardziej intrygujca niý parzystoæ kombinowana CP. Sprz«-

ýenie ¸adunkowe C zmienia znaki liczb kwantowych takich jak ¸adu-

nek elektryczny, przekszta¸cajc czstk« w jej antyczstk«. Inwer-

sja P zast«puje obiekt jego zwierciadlanym odbiciem i dodatkowo

obraca go o 180¡ (co jest rwnowaýne ze zmian kierunkw strza-

¸ek wszystkich wektorw zwizanych z obiektem). Prawa klasycz-

nej mechaniki i elektromagnetyzmu, podobnie jak silne oddzia¸y-

wania z Modelu Standardowego, s niezmiennicze wzgl«dem kaý-

dej z tych operacji. S¸abe oddzia¸ywania natomiast zmieniaj si«

podczas sprz«ýenia ¸adunkowego lub inwersji. Przez d¸ugie lata

wydawa¸o si«, ýe nawet s¸abe oddzia¸ywania s niezmiennicze

wzgl«dem inwersji i sprz«ýenia ¸adunkowego wykonanych jedno

po drugim. Eksperymenty przeprowadzone w 1964 roku obali¸y to

przekonanie, pozostawiajc zagadk«, dlaczego przyroda wyglda

inaczej po odbiciu w lustrze kombinowanej parzystoæci CP.

LUSTRO

INWERSJA P

OBRîT

LEWOSKR¢TNE

NEUTRINO

PORUSZAJCE SI¢

W PRAWO

PRAWOSKR¢TNE

NEUTRINO

PORUSZAJCE SI¢

W LEWO

INWERSJA P

PRAWOSKR¢TNE

ANTYNEUTRINO

PORUSZAJCE SI¢

W LEWO

okreælonej liczbie CP. Takie rozpady

powinny przebiega z inn pr«dkoæci

dla czstek wyprodukowanych jako B 0 ,

a z inn dla tych, ktre powsta¸y jako

anty- B 0 . Rýnica b«dzie miar stopnia

¸amania symetrii CP w uk¸adzie. Dla ka-

onw efekt wynosi¸ oko¸o 1 na 1000; tu

przewidywane asymetrie s tak duýe,

ýe jedna pr«dkoæ rozpadu moýe sta

si« kilkakrotnie wi«ksza od drugiej.

Modele odmienne od standardowego

maj dodatkowe rd¸a ¸amania syme-

trii CP Ð niekiedy zwizane z istnieniem

dodatkowych czstek Higgsa Ð i mwic

oglnie, mog da jakkolwiek wartoæ

asymetrii w rozpadach mezonw B 0 . Tak

wi«c zmierzenie asymetrii pozwoli

sprawdzi poprawnoæ przewidywaÄ.

Kiedy odkryto kwark pi«kny, okaza-

¸o si«, ýe jego masa wynosi oko¸o 5 GeV,

czyli oko¸o pi«ciu mas protonu. Std teo-

retycy wyliczyli, ýe na wyprodukowa-

nie pary mezonw B b«dzie potrzeba

troch« ponad 10 GeV (bo do¸czone

kwarki dolny i antydolny s bardzo lek-

kie). We wczesnych latach osiemdzie-

sitych w Cornell University operatorzy

tamtejszego zderzacza elektronw i po-

zytonw (urzdzenia, ktre przyspiesza

elektrony i pozytony oraz doprowadza

do ich czo¸owych zderzeÄ) ustawili go

tak, ýeby w procesie anihilacji wyzwa-

la¸a si« energia 10.58 GeV. Zgodnie

z przewidywaniami wyzwolona ener-

gia przechodzi¸a g¸wnie w mezony

B i w ten sposb powsta¸o bardzo wy-

dajne rd¸o tych czstek. Mniej wi«cej

w co czwartym zderzeniu pojawia¸ si«

mezon B i jego antyczstka bez ýadnych

innych czstek towarzyszcych.

W 1983 roku eksperymentatorzy w

SLAC stwierdzili, ýe mezon B ma nad-

spodziewanie d¸ugi czas ýycia Ð oko¸o

1.5 ps. Ten d¸ugi okres zwi«ksza praw-

dopodobieÄstwo, ýe B 0 , zanim si« roz-

padnie, przejdzie w anty- B 0 , co u¸atwia

badanie ¸amania symetrii CP. Nast«p-

nie w roku 1987 w DESY (Deutsches

Elektron-Synchrotron Ð Niemieckim La-

boratorium Synchrotronu Elektronowe-

go) w Hamburgu zmierzono prawdo-

podobieÄstwo tego ãmieszaniaÓ jako

rwne 16%, co czyni¸o prawdopodob-

nym, ýe asymetrie dla mezonw pi«k-

nych b«d znacznie wi«ksze niý dla ka-

onw. Jednakýe te duýe asymetrie wy-

st«puj we wzgl«dnie rzadkich rozpa-

dach mezonw B . Aby wi«c na serio ba-

da ¸amanie symetrii CP, potrzeba wiel-

kich iloæci tych czstek.

W 1988 roku uczestnicy odbywaj-

cych si« w Snowmass (Kolorado) warsz-

tatw interesowali si« g¸wnie czstk

Higgsa. Jedna z grup dyskutowa¸a rw-

nieý problem ¸amania symetrii CP, a

zw¸aszcza dla mezonw B . Ustalono, ýe

korzystne by¸oby badanie mezonw

B za pomoc zderzacza elektronw i po-

zytonw dajcego energi« 10.58 GeV,

ale takiego, w ktrym wizka elektro-

nw ma energi« inn niý wizka po-

zytonw. Ta doæ nietypowa w¸aæci-

woæ u¸atwi¸aby pomiar czasu ýycia me-

zonw B . Eksperymentatorzy ustalaj

punkt narodzin i punkt æmierci (tzn. roz-

padu) mezonu B na podstawie æladw

w detektorze. Dzielc odleg¸oæ mi«dzy

tymi dwoma punktami przez wyliczo-

n pr«dkoæ mezonu, otrzymujemy czas

ýycia. Zwyk¸y zderzacz elektronw i po-

zytonw przy energii 10.58 GeV produ-

kuje dwa mezony B prawie w spoczyn-

ku; odleg¸oæci, ktre one przebywaj, s

tak ma¸e, ýe trudno je zmierzy.

Pier Oddone z Lawrence Berkeley

National Laboratory zwrci¸ uwag«, ýe

gdy elektron i pozyton maj rýne ener-

gie, wyprodukowane mezony B 0 poru-

szaj si« szybciej. Na przyk¸ad jeýeli

energia elektronu wynosi 9 GeV, a ener-

gia pozytonu 3.1 GeV, mezony B 0 poru-

szaj si« z pr«dkoæci rwn po¸owie

pr«dkoæci æwiat¸a i zanim si« rozpadn,

przebywaj oko¸o 250 µm. Taka odle-

g¸oæ pozwala na doæ dok¸adny pomiar

czasu ich ýycia.

Eksperyment ten moýna by przepro-

wadzi w akceleratorze z dwoma pier-

æcieniami; w jednym z nich by¸yby przy-

82 å WIAT N AUKI GrudzieÄ 1998

S ymetrie maj zasadnicze znaczenie w fizyce i ma¸o ktra z nich

Quinn Helen R. Witherell Michael S. - Asymetria materii i antymaterii.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: