Szimmetriák és sértésük a részecskék világában

Átírás

1 Szimmetriák és sértésük a részecskék világában A paritássértés 50 éve Horváth Dezső horvath@rmki.kfki.hu. MTA KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet, Budapest és ATOMKI, Debrecen Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.1

2 Szimmetriák és sértésük a részecskék világában: a paritássértés 50 éve A részecskefizika tükrözési szimmetriái A paritásszimmetria és sértése A paritássértés haszna: µsr PC-sértés A CPT-szimmetria és ellenőrzése Az elveszett szimmetriák Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.2

3 Szimmetriák Részecskefizikában még fontosabbak, mint kémiában vagy szilárdtestfizikában Noether tétel: Globális szimmetria megmaradási törvény Eltolás térben impulzus Eltolás időben energia Forgatás impulzusmomentum Elektromágneses mérték- töltés Mértékelmélet: Lokális szimmetria kölcsönhatás Részecskefizika legfontosabb feladata a szimmetriák vizsgálata Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.3

4 Tükrözési szimmetriák Töltéstükrözés: C p(r,t)> = p(r,t)> Tértükrözés: P p(r,t)> = p( r,t)> Időtükrözés: T p(r,t)> = p(r, t)> Mindhárom szimmetria triviális... C töltés: elektromágneses és erős invariáns P paritás: erős és e-m kh.: gömbszimm. potenciál T időtükrözés: miért bántana? Gyenge kölcsönhatás??? Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.4

5 Térbeli tükrözés: paritás Koordinátarendszer valamennyi tengelyének tükrözése: jobbkezes balkezes rendszer Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.5

6 Paritássértés β-bomlásban A τ θ paradoxon: Két részecske azonos tulajdonságokkal, csak a paritásuk különböző: τ + 2π θ + 3π (J P (π) = 1 ) Tsung-Dao Lee és Chen-Ning Yang: Question of Parity Conservation in Weak Interactions Phys. Rev. 104 (1956) Paritásmegmaradás kísérleti bizonyítékai elektromágneses jelenségekre Gyenge kh. sérti paritást, τ + θ + ( K + ) Javaslatok kísérleti ellenőrzésre Kísérleti igazolás: Chien-Shiung Wu et al. (és Richard L. Garwin et al.), 1957 Nobel-díj: Lee és Yang, 1957 Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.6

7 A Nobel-díjas cikk Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.7

8 A Wu-kísérlet C.S. Wu, E. Ambler, R.W. Hayward, D.D. Hoppes, R.P. Hudson: Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay Phys. Rev. 105 (1957) Co bomlása mágneses térben (T < 0,1 K) (n p+e + ν e ) 60 Co 60 Ni +e +ν e J = 5 J = Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.8

9 Paritássértés β-bomlásban _ p e Θ _ J Co Β_ Helicitás: H = I + I I + + I = α v c I + = I(J e p e ) I = I(J e p e ) A Wu-kísérlet eredménye: α(e + ) = +1 α(e ) = 1 I(Θ) = 1+α v c cosθ } ν e balra ν e jobbra nincs tükörszimmetria! polarizált Maximális paritássértés Nem tudom elhinni, hogy Isten balkezes (Wolfgang Pauli) Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.9

10 A Garwin-kísérlet R.L. Garwin, L.M. Lederman, M. Weinrich: Phys. Rev. 105 (1957) π + µ + ν µ ; µ + e + ν e ν µ Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.10

11 A paritássértés felfedezése: kísérlet Phys. Rev. 105 (1957) Phys. Rev. 105 (1957) A tudományos etika és kollegialitás gyönyörű példája: Wu csoportja hónapokig dolgozott a kísérleten. Garwinék 1 napot mértek, 1 hetet értékeltek, aztán vártak Wu-ra Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.11

12 Paritássértés gyenge bomlásban Pionbomlás: π µν Csak B valósul meg maximális paritássértés Müonkeletkezés: π + µ + ν µ Müonbomlás: µ + e + ν e ν µ µsr-módszer alapja π + ν µ J = 0 µ + _ Gyenge kh. paritássértése: V-A elmélet Balkezes részecske jobbkezes antirészecske e + µ + ν µ ν e Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.12

13 A paritássértés haszna: µsr π + ν µ J = 0 µ + _ µ + e + ν µ π + µ + ν µ τ π = 26 ns J π = 0 gyenge kh.: balkezes ν µ : spinirányok µ + e + ν e ν µ τ µ = 2,2µs ν e µsr: Megállt π + mozgásiránnyal szemben polarizált µ + megállt µ + pol.-irányba engedi e + -t Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.13

14 A µsr-módszer Muon Spin Rezonancia/Rotáció/Relaxáció Alap: gyenge kölcsönhatás paritássértése Lokális mágneses teret mér: fémekben, ötvözetekben kristályhibákban interstíciális üregekben molekulákban, gyökökben Szilárdtestfizikai, kémiai alkalmazás Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.14

15 A µsr módszer Müon-precesszió: N e + exp( t τ µ ) [1+Pcos(ωt + Θ)] ω = eb m µ c Θ = (µ µ +, p e +) P = exp(t/t L ) a = átl. aszimm. (a 1 3 ) T L = longtud. relax. Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.15

16 A CP-szimmetria P és CP hatása A CP-szimmmetriában mindenki hitt, de a P-sértés felfedezése miatt ellenőrizni kellett Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.16

17 K 0 -bomlás Gyenge bomlás CP-sajátállapotba K 0, K 0 nem az CP K 0 >= K 0 >; CP K 0 >= K 0 > CP-sajátállapotok: K 0 1 = 1 2 (K 0 + K 0 ); K 0 2 = 1 2 (K 0 K 0 ) CP K 0 1 >= + K0 1 >; CP K0 2 >= K0 2 > Gyenge bomlás pionokra: CP(π 0 ) = 1 K 0 1 ππ (τ 1 89ps) K 0 2 πππ (τ 2 52ns) Keletkezik: K 0, K 0 erős kh., íz megmarad Bomlik: K 0 1, K0 2 gyenge kh., CP megmarad (??) Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.17

18 A CP-sértés megfigyelése: K 0 L ππ Christenson, Cronin, Fitch és Turlay, 1964 (BNL AGS) cosθ(k 0 L,ππ) Nobel-díj: Cronin és Fitch, 1980 CP-sértés kicsi: 2, MeV < M ππ < 510 MeV (45 ± 9)π + π előre K 0 2 πππ: nincs szögkorr. K 1, K 2 : CP ; K S, K L tömeg sajátállapotok Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.18

19 CPT -invariancia A térelmélet alaptétele: CPT p(r,t)> = p( r, t)> p(r,t)> azaz szabad antirészecske részecske, amely téridőben visszafelé mozog. CPT sérülése sértené: a kölcsönhatások lokalitását azaz a kauzalitást, vagy unitaritást, az anyag, információ,... megmaradását, vagy a Lorentz-invarianciát. Elmélet általában: CPT nem sérül De vannak CPT sértő modellek ellenőrizni Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.19

20 S 2P 1/2 1/2 2S 1/2 2P 3/2 F=0 F=1 Részecske = antirészecske? [m(k 0 ) m(k 0 )]/m(átlag) < proton antiproton? (m, q, µ összehasonlítása) hidrogén antihidrogén? (2S 1S) Kétfotonos spektr. keskeny vonal 3 2 HYDROGEN 2P 3/2 2S 1/2 ANTIHYDROGEN ellentétes irányú lézerek Doppler-mentes 1 2P1/2 1S F=1 1/2 F=0 Bohr Dirac Lamb HFS Bohr Dirac Lamb HFS Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.20

21 A CERN antiproton lassítója (AD) a CPT invariancia ellenőrzésére épült Három CPT kísérlet az AD-nál: ATRAP: q(p)/m(p) q(p)/m(p) H(2S 1S) H(2S 1S) ATHENA: H(2S 1S) H(2S 1S) ASACUSA: q(p) 2 m(p) q(p) 2 m(p) µ l (p) µ l (p) Vörös: működik, zöld: tervben SACUSA: Atomic Spectroscopy And Collisions Using Slow Antiprotons Tokió, CERN, Budapest, Debrecen Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.21

22 Az antiproton tömege és töltése Protoné jól ismert: m(p)/m(e) = (85) q(e) = (63) C Pontosság: és Relatív mérés: proton antiproton Ciklotron frekvencia csapdában q/m TRAP (LEAR) ATRAP (AD) Harvard, Jülich, München, Szöul Atomi átmenetek energiája p-atomban: E n m red c 2 (Zα) 2 /(2n 2 ) m q 2 PS-205 (LEAR) ASACUSA (AD) Tokió Asakusa-negyede Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.22

23 m(p),q(p) mérése Principal quantum number p _ 4 He phe LEAR δm M p p [10-6 ] Q p / M p n= p _ 3 He allowed region phe AD δq Q p p [10-6 ] metastable states 32 short-lived states n=31 l = Orbital quantum number Felső határ CPT sértésre: 10 ppb (10 8 ) M. Hori, J. Eades, R. S. Hayano, T. Ishikawa, W. Pirkl, E. Widmann, H. Yamaguchi, H. A. Torii, B. Juhász, D. Horváth, T. Yamazaki: Phys. Rev. Lett. 91 (2003) Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p

24 Elveszett szimmetriák? CPT invariancia: alapvető, abszolút, nem sérül SU(3) mértékinvariancia megőrzi a színtöltést származtatja az erős kölcsönhatást nem sérül U(1) SU(2) mértékinvariancia Higgs-tér spontán sérti származtatja az elektrogyenge kölcsönhatást létrehozza a Higgs-bozont Más? Szuperszimmetria? Szép elmélet, megoldja a Standard Modell problémáit Alacsony energián sérül, mert nem látjuk a részecskéit De keressük..... the fundamental equations of physics have more symmetry than the actual physical world does Frank Wilczek: In search of symmetry lost, Nature 433 (2005) 239 Horváth Dezső: Szimmetriák és sértésük a részecskék világában - a paritássértés 50 éve ELFT, május fólia p.24