Матрица Кабиббо – Кобаяши – Маскавы
Аромат в физика элементарных частиц |
---|
вкуса Квантовые числа |
|
Связанные квантовые числа |
|
Комбинации |
|
Смешение вкусов |
В Стандартной модели физики элементарных частиц матрица Кабиббо -Кобаяши-Маскавы , матрица CKM , матрица смешивания кварков или матрица KM представляет собой унитарную матрицу , которая содержит информацию о силе аромат , изменяющего слабого взаимодействия . Технически это определяет несовпадение квантовых состояний кварков , когда они распространяются свободно и когда участвуют в слабых взаимодействиях . Это важно для понимания нарушения CP . Эта матрица была введена для трёх поколений кварков Макото Кобаяши и Тошихиде Маскава , добавив одно поколение к матрице, ранее введенной Николой Кабиббо . Эта матрица также является расширением механизма GIM , который включает только два из трёх ныне существующих семейств кварков.
Матрица
[ редактировать ]Предшественник – матрица Кабиббо.
[ редактировать ]В 1963 году Никола Кабиббо ввёл угол Кабиббо ( θc ) , чтобы сохранить универсальность слабого взаимодействия . [1] Кабиббо был вдохновлен предыдущими работами Мюррея Гелл-Манна и Мориса Леви. [2] об эффективно вращающихся нестранных и странных векторных и осевых слабых токах, на которые он ссылается. [3]
В свете современных представлений (кварки еще не были предложены) угол Кабиббо связан с относительной вероятностью распада нижних и странных кварков на верхние кварки ( | V ud | 2 и | В нас | 2 , соответственно). На жаргоне физики элементарных частиц объект, который соединяется с верхним кварком посредством слабого взаимодействия заряженного тока, представляет собой суперпозицию кварков нижнего типа, обозначенную здесь d' . [4] Математически это:
или используя угол Кабиббо:
Используя принятые в настоящее время значения для | В уд | и | В нас | (см. ниже), угол Кабиббо можно рассчитать с помощью
Когда в 1974 году был открыт очарованный кварк, было замечено, что нижний и странный кварки могут распадаться либо на верхний, либо на очаровательный кварк, что привело к двум системам уравнений:
или используя угол Кабиббо:
Это также можно записать в матричной записи как:
или используя угол Кабиббо
где различные | В ij | 2 представляют вероятность того, что кварк аромата j распадется на кварк аромата i . Эта матрица вращения 2×2 называется «матрицей Кабиббо» и впоследствии была расширена до матрицы CKM 3×3.
Матрица СКМ
[ редактировать ]В 1973 году, заметив, что CP-нарушение не может быть объяснено в модели четырех кварков, Кобаяши и Маскава обобщили матрицу Кабиббо в матрицу Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (или матрицу CKM), чтобы отслеживать слабые распады трех поколений кварки: [5]
Слева — партнеры дублета слабого взаимодействия кварков нижнего типа, а справа — матрица CKM вместе с вектором собственных массовых состояний кварков нижнего типа. Матрица CKM описывает вероятность перехода от одного кварка сорта j к кварку другого сорта i . Эти переходы пропорциональны | В ij | 2 .
По состоянию на 2023 год лучшим определением отдельных величин элементов матрицы СКМ было: [6]
Используя эти значения, можно проверить унитарность матрицы CKM. В частности, мы находим, что элементы матрицы первой строки дают:
Отличие от теоретического значения 1 представляет собой напряжение в 2,2 стандартных отклонения . Неунитарность была бы признаком того, что физика выходит за рамки Стандартной модели.
Выбор использования кварков нижнего типа в определении является соглашением и не представляет собой физически предпочтительную асимметрию между кварками верхнего и нижнего типов. Другие соглашения в равной степени действительны: собственные состояния масс u , c и t кварков up-типа могут эквивалентно определять матрицу в терминах их партнеров по слабому взаимодействию u' , c' и t' . Поскольку матрица CKM унитарна, ее обратная идентична ее сопряженной транспонированной матрице , которую используют альтернативные варианты; он выглядит как та же матрица, но в несколько измененной форме.
Общая конструкция корпуса
[ редактировать ]Для обобщения матрицы подсчитайте количество физически важных параметров в этой матрице V , которые появляются в экспериментах. Если существует N поколений кварков (2 N ароматов ), то
- Унитарная матрица размера N × N (т. е. матрица V такая, что V † V = I , где V † — сопряженное транспонирование V , а I — единичная матрица) требует N 2 реальные параметры, которые необходимо указать.
- 2 N − 1 из этих параметров не являются физически значимыми, поскольку в каждое поле кварков (как массовых, так и слабых собственных состояний) может быть поглощена одна фаза, но матрица не зависит от общей фазы. Следовательно, общее число свободных переменных, не зависящих от выбора фаз базисных векторов, равно N 2 - (2 N - 1) = ( N - 1) 2 .
- Из них 1/2 углами − N ( N 1) — углы вращения, называемые смешивания кварков .
- Остальные 1/2 2) — − ( N − 1)( N сложные фазы, вызывающие нарушение CP .
Н = 2
[ редактировать ]Для случая N = 2 существует только один параметр — угол смешивания двух поколений кварков. Исторически это была первая версия матрицы CKM, когда были известны только два поколения. Его называют углом Кабиббо в честь его изобретателя Николы Кабиббо .
Н = 3
[ редактировать ]Для случая Стандартной модели ( N = 3) имеется три угла смешивания и одна комплексная фаза, нарушающая CP. [7]
Наблюдения и прогнозы
[ редактировать ]Идея Кабиббо возникла из-за необходимости объяснить два наблюдаемых явления:
- переходы u ↔ d , e ↔ ν e и µ ↔ ν µ имели близкие амплитуды.
- переходы с изменением странности ΔS = 1 имели амплитуды, равные 1 / 4 из тех, у кого ΔS = 0 .
Решение Кабиббо состояло в постулировании слабой универсальности (см. ниже) для решения первой проблемы, а также в постулировании угла смешивания θc , теперь называемого углом Кабиббо , между d- и s -кварками для решения второй проблемы.
Для двух поколений кварков не может быть фаз, нарушающих СР, как показали расчеты предыдущего раздела. Поскольку CP-нарушения уже наблюдались в 1964 году при распаде нейтральных каонов , появившаяся вскоре после этого Стандартная модель ясно указывала на существование третьего поколения кварков, как указали Кобаяши и Маскава в 1973 году. Открытие нижнего кварка в Фермилабе ( группой Леона Ледермана ) в 1976 году немедленно начал поиск топ-кварка , недостающего кварка третьего поколения.
Однако обратите внимание, что конкретные значения, которые принимают углы, не являются предсказанием стандартной модели: это свободные параметры . В настоящее время не существует общепринятой теории, объясняющей, почему углы должны иметь именно те значения, которые измеряются в экспериментах.
Слабая универсальность
[ редактировать ]Ограничения унитарности СКМ-матрицы на диагональные члены можно записать в виде
отдельно для каждого поколения j . Это означает, что сумма всех связей любого из кварков верхнего типа со всеми кварками нижнего типа одинакова для всех поколений. Это соотношение называется слабой универсальностью и впервые было указано Никола Кабиббо в 1967 году. Теоретически оно является следствием того факта, что все дублеты SU(2) с одинаковой силой связаны с векторными бозонами слабых взаимодействий. Он подвергался постоянным экспериментальным испытаниям.
Треугольники унитарности
[ редактировать ]Остальные ограничения унитарности СКМ-матрицы можно записать в виде
Для любых фиксированных и разных i и j это ограничение на три комплексных числа, по одному на каждое k , которое говорит, что эти числа образуют стороны треугольника в комплексной плоскости . Существует шесть вариантов i и j (три независимых), а значит, шесть таких треугольников, каждый из которых называется унитарным треугольником . Их форма может быть самой разной, но все они имеют одинаковую площадь, что может быть связано с фазой нарушения CP . Область исчезает для определенных параметров Стандартной модели, для которых не было бы нарушения CP . Ориентация треугольников зависит от фаз кварковых полей.
Популярной величиной, равной вдвое площади унитарного треугольника, является инвариант Ярлскога (введенный Сесилией Ярлског в 1985 году):
Для греческих индексов, обозначающих верхние кварки, и латинских — нижних кварков, 4-тензор дважды антисимметричен,
С точностью до антисимметрии он имеет только 9 = 3 × 3 неисчезающих компонента, которые, что примечательно, из унитарности V можно показать, что все они одинаковы по величине , то есть
так что
Поскольку три стороны треугольников, как и три угла, открыты для непосредственного эксперимента, класс тестов Стандартной модели заключается в проверке замыкания треугольника. Это цель современной серии экспериментов, проводимых в японской BELLE и американской экспериментах BaBar , а также в LHCb в ЦЕРНе, Швейцария.
Параметризация
[ редактировать ]Для полного определения матрицы CKM необходимы четыре независимых параметра. Было предложено множество параметризаций, и ниже показаны три наиболее распространенных из них.
Параметры КМ
[ редактировать ]В исходной параметризации Кобаяши и Маскавы использовались три угла ( θ 1 , θ 2 , θ 3 ) и фазовый угол, нарушающий CP ( δ ). [5] θ 1 представляет собой угол Кабиббо. краткости косинусы и синусы углов θk 2 обозначаются ck 3 и sk Для , для = 1, , k соответственно.
«Стандартные» параметры
[ редактировать ]«Стандартная» параметризация матрицы CKM использует три угла Эйлера ( θ 12 , θ 23 , θ 13 ) и одну фазу, нарушающую CP ( δ 13 ). [8] θ 12 представляет собой угол Кабиббо. Связи между поколениями кварков j и k исчезают, если θ jk = 0 . Косинусы и синусы углов обозначаются c jk и s jk соответственно.
Значения стандартных параметров на 2008 год были следующими: [9]
- θ 12 = 13,04° ± 0,05° , θ 13 = 0,201° ± 0,011° , θ 23 = 2,38° ± 0,06°
и
- δ 13 = 1,20 ± 0,08 радиан = 68,8° ± 4,5° .
Параметры Вольфенштейна
[ редактировать ]Третья параметризация матрицы CKM была введена Линкольном Вольфенштейном с четырьмя параметрами λ , A , ρ и η , которые все «исчезли бы» (были бы равны нулю), если бы не было связи. [10] Четыре параметра Wolfenstein обладают свойством, что все они имеют порядок 1 и относятся к «стандартной» параметризации:
Хотя параметризация Вольфенштейна матрицы CKM может быть настолько точной, насколько это необходимо, если перейти к высокому порядку, она в основном используется для создания удобных приближений к стандартной параметризации. Приближение порядка λ 3 с точностью выше 0,3%:
Скорости нарушения CP соответствуют параметрам ρ и η .
Используя значения предыдущего раздела для матрицы CKM, по состоянию на 2008 год лучшим определением значений параметров Wolfenstein является: [11]
- λ = 0,2257 +0,0009
-0,0010 , А = 0,814 +0,021
−0,022 , ρ = 0,135 +0,031
−0,016 и η = 0,349 +0,015.
−0.017 .
Нобелевская премия
[ редактировать ]В 2008 году Кобаяши и Маскава разделили половину Нобелевской премии по физике «за открытие происхождения нарушенной симметрии, предсказывающей существование по крайней мере трёх семейств кварков в природе». [12] Сообщалось, что некоторые физики питали горькие чувства по поводу того факта, что Нобелевский комитет не наградил работу Кабиббо , чьи предыдущие работы были тесно связаны с работами Кобаяши и Маскавы. [13] На вопрос о реакции на приз Кабиббо предпочел воздержаться от комментариев. [14]
См. также
[ редактировать ]- Формулировка Стандартной модели и нарушения CP
- Квантовая хромодинамика , аромат и сильная CP-проблема
- Угол Вайнберга , аналогичный угол для Z и смешивания фотонов.
- Матрица Понтекорво–Маки–Накагавы–Сакаты , эквивалентная матрица смешивания нейтрино.
- Формула Койде
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кабиббо, Н. (1963). «Унитарная симметрия и лептонные распады» . Письма о физических отзывах . 10 (12): 531–533. Бибкод : 1963PhRvL..10..531C . дои : 10.1103/PhysRevLett.10.531 .
- ^ Гелл-Манн, М .; Леви, М. (1960). «Осевой векторный ток при бета-распаде». Иль Нуово Чименто . 16 (4): 705–726. Бибкод : 1960NCim...16..705G . дои : 10.1007/BF02859738 . S2CID 122945049 .
- ^ Майани, Л. (2009). Нобелевской премии по физике за 2008 год» « О (PDF) . Новый пробирщик . 25 (1–2): 78. Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2011 года . Проверено 30 ноября 2010 г.
- ^ Хьюз, И.С. (1991). «Глава 11.1 – Смешивание кабиббо» . Элементарные частицы (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета . стр. 242–243. ISBN 978-0-521-40402-0 .
- ^ Jump up to: а б Кобаяши, М.; Маскава, Т. (1973). «CP-нарушение в перенормируемой теории слабого взаимодействия» . Успехи теоретической физики . 49 (2): 652–657. Бибкод : 1973PThPh..49..652K . дои : 10.1143/PTP.49.652 . hdl : 2433/66179 .
- ^ Р. Л. Уоркман и др. (Группа данных о частицах) (август 2022 г.). «Обзор физики элементарных частиц (и обновление 2023 года)» . Успехи теоретической и экспериментальной физики . 2022 (8): 083C01. дои : 10.1093/ptep/ptac097 . hdl : 20.500.11850/571164 . Проверено 12 сентября 2023 г.
- ^ Баэз, JC (4 апреля 2011 г.). «Нейтрино и загадочная матрица Понтекорво-Маки-Накагавы-Саката» . Проверено 13 февраля 2016 г.
Фактически матрица Понтекорво–Маки–Накагавы–Сакаты действительно влияет на поведение всех лептонов, а не только нейтрино. Кроме того, аналогичный трюк работает и для кварков – но тогда матрица U называется матрицей Кабиббо–Кобаяши–Маскавы.
- ^ Чау, LL; Кеунг, В.-Ю. (1984). «Комментарии к параметризации матрицы Кобаяши-Маскавы». Письма о физических отзывах . 53 (19): 1802–1805. Бибкод : 1984PhRvL..53.1802C . doi : 10.1103/PhysRevLett.53.1802 .
- ^ Значения, полученные на основе значений параметров Wolfenstein в Обзоре физики элементарных частиц 2008 года .
- ^ Вольфенштейн, Л. (1983). «Параметризация матрицы Кобаяши-Маскавы». Письма о физических отзывах . 51 (21): 1945–1947. Бибкод : 1983PhRvL..51.1945W . doi : 10.1103/PhysRevLett.51.1945 .
- ^ Амслер, К.; Дозер, М.; Антонелли, М.; Аснер, DM; Бабу, Канзас; Баер, Х.; и др. (Группа данных о частицах) (2008). «Матрица смешивания кварков CKM» (PDF) . Буквы по физике Б. Обзор физики элементарных частиц. 667 (1): 1–1340. Бибкод : 2008PhLB..667....1A . дои : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . S2CID 227119789 .
- ^ «Нобелевская премия по физике 2008» (Пресс-релиз). Нобелевский фонд . 7 октября 2008 года . Проверено 24 ноября 2009 г.
- ^ Джеймисон, В. (7 октября 2008 г.). «Нобелевская премия по физике пренебрегает ключевым исследователем» . Новый учёный . Проверено 24 ноября 2009 г.
- ^ «Нобель, горечь итальянских физиков» . Corriere della Sera (на итальянском языке). 7 октября 2008 года . Проверено 24 ноября 2009 г.
Дальнейшее чтение и внешние ссылки
[ редактировать ]- Диджей Гриффитс (2008). Введение в элементарные частицы (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья . ISBN 978-3-527-40601-2 .
- Б. Повх; и др. (1995). Частицы и ядра: введение в физические концепции . Спрингер . ISBN 978-3-540-20168-7 .
- II Биги, А. И. Санда (2000). Нарушение КП . Издательство Кембриджского университета . ISBN 978-0-521-44349-4 .
- «Группа данных о частицах: матрица смешивания кварков CKM» (PDF) .
- «Группа данных о частицах: нарушение CP при распаде мезонов» (PDF) .
- «Эксперимент Бабара» . в SLAC , Калифорния, и «Эксперимент BELLE» . в КЕК , Япония.