SYMETRIE W FIZYCE I ICH AMANIE symetrie w

SYMETRIE W FIZYCE I ICH ŁAMANIE Ø symetrie w fizyce Ø symetrie dyskretne Ø cząstki elementarne i ich oddziaływania Ø łamanie symetrii dyskretnych Ø poszukiwanie różnic między materią i antymaterią M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 1

SYMETRIE W FIZYCE Proces fizyczny jest symetryczny względem danego przekształcenia, jeśli po przekształceniu opisują go takie same prawa fizyki. Transformacje ciągłe symetria zachowana wielkość q przesunięcie w czasie energia q przesunięcie w przestrzeni pęd q obrót moment pędu Twierdzenie Noether: Jeżeli własności układu nie zmieniają się przy pewnych ciągłych przekształceniach, to odpowiadają temu określone prawa zachowania. M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 2

SYMETRIE DYSKRETNE odbicie w przestrzeni P: x -x odbicie w czasie Prawa fizyki klasycznej są niezmiennicze względem operacji P, T, C T: t -t -+ sprzężenie ładunkowe C: C C cząstka antycząstka Q -Q -+ M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 3

SYMETRIE DYSKRETNE Parzystość P - wielkość fizyczna charakteryzująca stany kwantowe ze względu na ich zachowanie się przy odbiciach. Parzystość C - wielkość fizyczna charakteryzująca stany kwantowe ze względu na ich zachowanie się przy operacji sprzężenia ładunkowego (zamianie cząstek na antycząstki). M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 4

SYMETRIE DYSKRETNE Symetria względem operacji P, C, T, CPT. . . w mikroświecie: Dla każdego procesu elementarnego, po dokonaniu którejś z tych operacji otrzymujemy realny proces fizyczny, opisany tymi samymi prawami fizyki. Symetrie względem operacji P, C, CP zachowanie parzystości C, P, CP reguły wyboru w procesach elementarnych M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 5

ELEMENTARNE SKŁADNIKI MATERII LEPTONY KWARKI e- - - u c t e d s b Sześć rodzajów (zapachów) leptonów i kwarków zgrupowanych w trzech rodzinach. MASA [Ge. V] ładunek elektr. e- (elektron) e(neutrino el. ) 0. 003 - -1 0 - (mion) - (taon) 0. 105 1. 77 - -1 0 ZAPACH . . ZAPACH MASA [Ge. V] ładunek elektr. u (up) 0. 003 +2/3 d (down) 0. 007 -1/3 c (charm) 1. 2 +2/3 s (strange) 0. 1 -1/3 t (top) 172 +2/3 b (beauty) 4. 2 -1/3 M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 6

… I ICH ODDZIAŁYWANIA nośniki oddziaływań silne g elektromagnetyczne 1 proton kwarki grawitacyjne 1/100 elektron atomy materia neutron jądro słabe W Z 1/10000 00 u c t d s b M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 7

ANTYCZĄSTKI dwa rozwiązania: 1928: równanie Diraca E>0 i E<0 równanie ruchu swobodnego elektronu PAUL A. M. DIRAC Theory of electrons and positrons Nobel Lecture, December 12, 1933 … as far as theory is yet definite, there is a complete and perfect symmetry between positive and negative electric charge, and if this symmetry is really fundamental in nature, it must be possible to reverse the charge on any kind of particle. 193 3 M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 8

ODKRYCIE POZYTONU Carl Anderson „…something positively charged, and with the same mass as an electron". 17 cm naturalne źródło cząstek wysokiej energii 1932: Komora Wilsona Carl Anderson promieniowanie kosmiczne – 193 6 M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 9

OD ANTYCZĄSTEK DO ANTYMATERII 1954: Bevatron w LBL 1955: odkrycie antyprotonu O. Chamberlain, E. Segre, C. Wiegand, T. Ypsilantis 195 Emilio Owen Chamberlain 9 Segre 1956: odkrycie antyneutronu B. Corc, O. Piccione, W. Wenzel, G. Lambertson 1965: odkrycie antydeuteronu A. Zichichi (CERN-PS), atomy L. Lederman (BNL 1995 : pierwsze AGS) antywodoru (CERN -LEAR) Mezony +, - M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie d u 10

ANTYCZĄSTKI elementarne składniki anty-materii antykwarki anty-LEPTONY anty-KWARKI e+ + + u c t e d s b antyproton antyelektron ZAPACH u d c s t b MASA [Ge. V] ładunek elektr. 0. 003 -2/3 0. 007 +1/3 1. 2 -2/3 0. 1 +1/3 172 -2/3 4. 2 +1/3 antyatomy antymateria antyneutron antyjądro M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 11

ŁAMANIE SYMETRII P i C 1956: T. D. Lee, C. N. Yang; Phys, Rev. „Question of Parity Conservation in Weak Interactions”, Co Co I I e 0 195 Tsung Dao 7 Lee Chen Ning C antyneutri no lewoskrętn e P C 100 Chien- Shiung Wu Yang neutrino lewoskrętn e e neutrino prawoskręt ne Odkrycie łamania symetrii P w rozpadach : 60 Co 60 Ni e- C antyneutri no prawoskręt ne Słabe oddziaływania maksymalnie łamią symetrie P i C, natomiast zachowują ich iloczyn CP. M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 12

SYMETRIA CP I JEJ ŁAMANIE Transformacja CP: sprzężenie ładunkowe C C - CP P Proces fizyczny zachodzi w dokładnie ten sam sposób, jeżeli wszystkie cząstki zamienimy na ich „anty-odpowiedniki” stosując transformację C P. Be zw m glę et dn rią a i a róż nt ni ym ca at m er ię ią dz ! y q Symetria CP: + i lustrzane odbicie P q 1964: Odkrycie naruszenia symetrii CP w rozpadach KL H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch, R. Turlay, Phys. Rev. Lett. 83, 138 (1964) Val L. asymetria: 0. 2%÷ 0. 3% M. Różańska, Symetrie w fizyce. Fitch i ich łamanie 198 W. 0 James Cronin 13

ASYMETRIA CP WE WSZECHŚWIECIE 1967: A. Sacharow: Naruszenie symetrii CP jest koniecznym warunkiem wyjaśnienia przewagi materii we wszechświecie. q W modelu wczesnego wszechświata cząstki powstają i znikają parami. q Obserwacje wykazują, że wszechświat jest zdominowany przez bariony. § p+p + - 0… nie obserwuje się § promienie kosmiczne: antyprotony, zgodne z ocenami dla wtórnych oddziaływań B/B<10 -5 q Obserwowana we wszechświecie gęstość barionów w przeliczeniu na 1 foton. tła mikrofalowego: -10 <N(B)/N( )<6. 5 x 10 4. 7 x 10 Symetrie <N(B)/N( )<6. 5 x 10 M. Różańska, w fizyce i ich łamanie 4. 7 x 10 14

MECHANIZM KOBAYASHIEGO-MASKWAY 1972: M. Kobayashi, T. Maskawa Makoto Kobayashi 200 8 CPV (w modelu standardowym) wymaga trzech rodzin kwarków. Toshihide Maskawa nowe kwarki 1974 1995 u ? c t 1977 d s b 1975 e- - - 2001 e nowe przejawy łamania CP relacje pomiędzy asymetriami CP M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 15

PROGRAM EKSPERYMENTALNY CLEO 3 Belle Ba. Bar M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 16

ŹRÓDŁA MEZONÓW B kwarki b nie wchodzą w skład otaczającej nas materii u anihilacja eu be+e- b BB B- e+ bb e+ B+ E( e+ )+ E( e- ) = masa B + masa B M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 17

ZDERZACZ KEKB detektor Belle > 1000 000. BB/dzień źródło e+ M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 18

Gdzie szukać łamania CP? różnice pomiędzy charakterystykami procesów B f i B f procesy z interferencją co najmniej dwóch amplitud B f M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 19

Asymetrie CP w rozpadach B „bezpośrednie” łamanie CP ? B 0 K- + (B 0 K+ -) = (B 0 K- +) _ B 0 K- + M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie B 0 K + - B 0 K+ - 20

Asymetrie CP w rozpadach B d. N/d t(B 0 J/ K 0) B 0 - + B 0 ACP=max ACP=0 t łamanie CP „zależne od czasu” ja ac rw e s K ob mi a a sz on w z er me i : p za 1 00 po 2 r, CP a a. B nia B a i ll e łam e B ? d /dt(B 0 f. CP) = d /dt(B 0 f. CP) M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 21

Manchester HEP-EPS 2007 Makoto Kobayashi M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 22

M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 23

Nagroda Nobla 2008 M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 24

Czego dowiedzieliśmy się? q Zaobserwowano procesy, gdzie asymetrie CP są duże. q Mechanizm Kobayashiego-Maskawy wyjaśnia ilościowo obserwowane asymetrie CP w procesach elementarnych. ? Ø Mechanizm K-M nie wyjaśnia obserwowanej dominacji materii we Wszechświecie. M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie 26

0 B pomiar t 0 czy B ~2 ps M. Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie f. CP 27