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粒子物理学

弱相互作用与CP破坏

演示弱相互作用中的离散对称变换 C、P、T 与 CP 破坏。比较每次变换前后的系统，调节 CP 不对称度以观察 P(Γ)≠P(Γˉ)P(\Gamma) \neq P(\bar\Gamma)。

研究

器材

  • 变换按钮：原始、C、P、T、CP
  • CP 不对称度与动画速度滑块
  • 粒子与反粒子过程的显示区域

实验步骤

  1. 逐个施加变换

    依次点击"原始"、"C"、"P"、"T"并观察：C 交换粒子↔反粒子，P 为镜像反射（空间反演），T 反演时间方向。记录哪些情形看起来与原始相同（对称），哪些不同。

  2. 检验 CP 联合对称

    点击"CP"同时施加两种变换。把"示意 CP 不对称度"滑块设为0：CP 变换后的系统与原始一致——CP 守恒。逐渐增大滑块：共轭过程的概率分离，ACP=Γ−ΓˉΓ+Γˉ≠0A_{CP} = \frac{\Gamma - \bar\Gamma}{\Gamma + \bar\Gamma} \neq 0。

  3. 与 CPT 定理联系

    在不同不对称度下比较 CP 状态，调节"动画速度"跟踪细节。结论：即使很小的 CP 破坏（K介子中约千分之几）也足以区分物质与反物质，而联合 CPT 在任何局域洛伦兹不变场论中仍被认为严格守恒。

模拟

实验历史

1956年，李政道与杨振宁指出镜像对称 P 从未在弱相互作用中被检验过；吴健雄于1957年通过极化钴-60的β衰变确认了 P 破坏。学界最初相信 CP 仍然成立——直到1964年，詹姆斯·克罗宁与瓦尔·菲奇发现长寿命K介子衰变为两个π介子，破坏了 CP（1980年诺贝尔奖）。 1967年，安德烈·萨哈罗夫指出 CP 破坏是解释宇宙物质多于反物质所需的三条件之一。1973年，小林诚与益川敏英证明三代夸克允许 CKM 矩阵中存在不可消除的 CP 相位——在第三代夸克被发现前即作出预言（2008年诺贝尔奖）。随后 B 工厂（BaBar、Belle）直接测量了 B 介子中的 CP 破坏。

相关物理学家

理查德·费曼保罗·狄拉克李政道杨振宁小林诚益川敏英

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