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强CP问题是所有物理学中最被低估的难题
在标准模型中,中子的电偶极子矩被预计为一个十倍因子... PUBLIC DOMAIN WORK FROM ANDREAS KNECHT
如果你问一个物理学家这个领域今天面临的最大的未解决问题是什么你可能会得到各种各样的答案。有些人会指出层次结构问题,好奇为什么标准模型粒子的质量有我们观察到的(小)值。其他人会问关于重子创世的,问为什么这个宇宙充满了物质而不是反物质。其他流行的答案同样令人费解:暗物质、暗能量、量子引力、宇宙的起源以及是否有供我们来发现的一切的终极理论。
一个从未得到应有关注的谜题的一直为人们所知近半个世纪:强CP问题与大多数需要超越标准模型的新物理学的问题不同 CP 问题是一个标准模型本身的问题。这里是关于一个每个人都应该更加关注往下的问题
强CP问题是所有物理学中最被低估的难题
粒子物理学的标准模型解释四种力(引力除外)中的三个,... CONTEMPORARY PHYSICS EDUCATION PROJECT / DOE / NSF / LBNL
当我们大多数人想到标准模型时,我们会想到构成宇宙的基本粒子以及发生在它们之间的相互作用。在粒子方面,我们有夸克和轻子以及规制电磁、弱和强相互作用的携载力的粒子。
六种类型的夸克(和反夸克)每种都带有电荷和色荷六种类型的轻子(和反轻子),其中三种有电荷(如电子它的更重的表亲),三种没有(中微子)。凡是电磁力只有一个携带力的粒子(光子)与它相关弱核力和强核力有很多:三个弱相互作用的定规玻色子(W+W-Z八个强相互作用的(八个不同的胶子)。
强CP问题是所有物理学中最被低估的难题
标准模型的粒子和反粒子现已全部被直接检测到,并带有.... E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY
为什么如此多呢?这是东西变得有趣的地方。在我们使用的大多数传统数学中,包括我们用来对简单物理系统建模的大多数数学,所有运算都是我们所说的交互的。简单的说,交互意味着你按什么顺序做运算并不重要。 2 + 3 3+ 2 相同5 * 8 8 *5 相同,两者都是交互的。
其它东西基本上不交互的。例如,拿上你的手机并按保持它以便屏幕面对你的脸。现在,尝试做以下两件事情:
· 沿着'深度'方向逆时针旋转屏幕 90 度(因此屏幕仍面向面部),然后沿垂直轴顺时针旋转 90 度(因此屏幕朝向左侧)。
· 重新开始,进行相同的两个旋转但顺序相反:沿垂直轴顺时针旋转屏幕 90 度(因此屏幕朝左),现在沿'深度'方向逆时针旋转 90 度(因此屏幕朝下)。
相同的两个旋转,但顺序相反导致一个狂不同的最终结果。
强CP问题是所有物理学中最被低估的难题
作者在前智能手机时代的最后一部手机例证在3D空间中的旋转怎样不会... E. SIEGEL
当到标准模型时我们使用的交互比加法、乘法甚至旋转在数学上更复杂一些的,但概念是相同的。不是在谈论一组运算是交互的还是非交互的,而是我们讨论是否这些描述相互作用的组(来自数学群理论)是以伟大的数学家尼尔斯·阿贝尔的名字命名的阿贝利尔的还是非阿贝利尔
标准模型中,电磁只是阿贝利尔的,而核力弱力和强核力则是非阿贝利尔的。不是加、乘或旋转,而是在阿贝利尔的和非阿贝利尔的之间的差异显示在对称性中。阿贝利尔的理论应该有底下的是对称的相互作用:
· C(电荷耦合),这用反粒子替换粒子,
· P(奇偶),这用它们的镜像对应粒子替换所有粒子,
· T(时间反转),这用时间中倒向的替换时间中向前的相互作用,
非阿贝利尔的理论应该显示差异。
强CP问题是所有物理学中最被低估的难题 不稳定的粒子如上图所示的大红色粒子会要么通过强...衰变 CERN 对于电磁交互,CP T 均单独的被守恒,并且也以任意组合(CPPTCT CPT)守恒的。对于弱交互,CP T 已经都被发现单独的被违反的,同样是任何两个(CPPT CT)的组合(CPPT CT被发现违反的,但不是所有三个一起的(CPT)。
这就是问题所在。在标准模型中,某些交互被禁止的,其它的交互被允许对于电磁交互,CP T 的违反都单独的被禁止。对于弱和强相互作用,所有三个串联 CPT 的违反是被禁止的。但是,CP的一起组合(CP虽然在弱相互作用和强相互作用中都被允许,但从来只在弱相互作用中已经被见过。事实上,它被在强互动中允许,但没有看到过是这个强CP问题。
强CP问题是所有物理学中最被低估的难题
改变反粒子的粒子并在一个镜子中同时的反射它们代表CP... E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY 回到1956年,在写关于量子物理学时默里·盖尔-曼恩捏造了现在所谓的极权的原则'一切不被禁止的东西都是强制性的'。虽然它往往被恶意的曲解,但如果我们认为意味着如果没有一个禁止一个交互发生的守恒法则那么这种交互将发生有一个有限的、非零的可能性100%正确的。
弱交互中,CP 违反大约发生在 1/1000 水平上,也许人们会天真的期望它在大约相同级别上发生在强交互中。然而,我们已经广泛的寻找了CP违反没有可用的。如果它确实发生,它被一个超过十亿(109)的因子压制某些如此惊人以致仅仅把这写为偶然性是不科学的东西。
强CP问题是所有物理学中最被低估的难题
当我们看到某些像一个球小心的被平衡在山顶上的东西时,这似乎是我们所说的... LUIS ÁLVAREZ-GAUMÉ & JOHN ELLIS, NATURE PHYSICS 7, 2–3 (2011)
如果你受过理论物理学的训练,你的第一本能会是提出一个新的在强相互作用中抑制违反CP对称性,真的物理学家罗伯托·佩奇和海伦·奎因在1977年首次炮制出这种对称性。大多数理论一样,它假设一个新的参数(在本例中是一个新的标量场)来解决这个问题但与许多玩具模型不同,这种模型能被进行测试。
如果佩奇和奎恩的新想法是正确的,它应该预测一个新的粒子轴子的存在轴子应该极端的轻,应该没有电荷,并且数量上应该非常丰富。事实上它造就了一个完美的暗物质候选粒子。1983年,理论物理学家皮埃尔·西基维(Pierre Sikivieé)认识到了这样一个轴子的一个后果是正确的实验可以在地面实验室中可行的探测到它们。
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一个实验的低温设置寻求来利用假设的相互作用...
这标志着一个会变成在过去二十年里一直在寻找轴子轴子暗物质实验(ADMX的诞生。它对轴子的存在和属性放上了极大的好的约束排除了佩奇和奎因的最初定制但留下一个要么是扩展的佩切-奎因对称性要么是一些高质量的替代物的可以解决强

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