素粒子物理学

弱い相互作用とCP対称性の破れ

弱い相互作用はクォークやレプトンのフレーバーを変化させます。一部の過程でのCP対称性の破れは、電荷共役と空間反転を合わせた変換で物質と反物質が完全には対称でないことを示します。

弱い相互作用は標準模型でクォークのフレーバーを変える相互作用で、ベータ崩壊やニュートリノ反応も引き起こします。CP変換は粒子を反粒子に置き換え、空間を反転します。弱過程ではCPが破れ、過程とCP共役過程の確率が異なることがあります。

P(A\to B)\ne P(CP(A)\to CP(B))\quad\text{(CP violation)}

定義: CKM行列とCP位相

弱相互作用の固有状態と質量固有状態は異なり、CKM行列は荷電カレントでのクォーク混合を記述します。三世代では場の位相変更で消せない複素位相が一つあり、クォークの弱過程でCP破れを可能にします。ニュートリノにはPMNS混合行列があります。

模式的な粒子過程を、元の状態、C（粒子を反粒子へ）、P（鏡映）、T（時間反転）で切り替えます。実際の崩壊データではなく概念図です。

CPと宇宙の非対称性

CP破れはK中間子系やB中間子系で観測され、CKM位相と整合します。初期宇宙のバリオン非対称性を生むシナリオに必要な要素ですが、標準模型のCP破れだけでは、適切な条件や新しい物理なしに観測された物質の余剰を説明するには小さすぎると考えられています。

例: CPの検証

粒子と反粒子がCPで対応する終状態へ崩壊します。検出器効率を補正した後も崩壊率が異なる場合、妥当な結論は何でしょうか。

解答

統計誤差と検出器の非対称性が管理されていれば、その崩壊過程でのCP破れを示します。すべての相互作用がCPを破るという意味ではありません。

非対称性を定量化するには、粒子と反粒子がCP共役の終状態へ崩壊する率を比較します。振幅に大きさの異なる二つの寄与があり、相対位相が $0$ または $\pi$ でなければ、干渉によって確率が異なり得ます。試料ごとの効率と背景を補正し、検証後も残る効果だけをCP破れと解釈します。

CP変換はどの二つの変換を組み合わせますか。

ある崩壊過程でCPが破れていることだけで、CPT破れが証明されますか。