Зарядовое сопряжение

Заря́довое сопряже́ние (С-преобразование), операция замены частицы соответствующей античастицей. Зарядовое сопряжение меняет знаки любых аддитивных квантовых чисел, присущих частице, таких как электрический заряд ${\displaystyle Q}$, барионное ${\displaystyle B}$ и лептонное ${\displaystyle L}$ числа, странность ${\displaystyle S}$ и др., но оставляет неизменными её спиновые, импульсные и координатные характеристики.

Понятие зарядового сопряжения сформировалось в конце 1920-х – начале 1930-х гг. в работах плеяды выдающихся физиков: П. Дирака, Г. Вейля, П. Йордана и др. Зарядовое сопряжение как операция симметрии впервые была рассмотрена, по-видимому, в 1937 г. в статьях Х. Крамерса, У. Фарри и Дж. Рака.

В квантовой теории операция зарядового сопряжения может быть реализована в форме унитарного линейного оператора, действие которого на волновую функцию физической системы, состоящей из частиц, приводит к её замене волновой функцией соответствующих античастиц. Собственным значениям оператора зарядового сопряжения соответствует физическая величина, называемая зарядовой чётностью, которая является хорошим квантовым числом для истинно нейтральных частиц. Свойства оператора зарядового сопряжения были последовательно описаны, например, Дж. Швингером в серии основополагающих работ по квантовой электродинамике (КЭД). С математической точки зрения зарядовое сопряжение тесно связано с операцией комплексного сопряжения. Например, при соблюдении определённых условий действие оператора зарядового сопряжения на дираковские спиноры может быть сведено к их эрмитову сопряжению. Инвариантность КЭД относительно зарядового сопряжения приводит к знаменитой теореме Фарри, исключающей возможность наблюдения процессов, в которых общее число фотонов в начальном и конечном состоянии было бы нечётным.

Все известные процессы, происходящие за счёт гравитационного, электромагнитного и сильного взаимодействий, инвариантны по отношению к операции зарядового сопряжения. Таким образом, в этих взаимодействиях вероятности процессов с участием каких-либо частиц равны вероятностям процессов с участием соответствующих античастиц. Наилучшая точность экспериментальных проверок ${\displaystyle C}$-инвариантности достигается в поисках распадов нейтральных частиц, запрещённых законом сохранения ${\displaystyle C}$-чётности.

Ныне ${\displaystyle C}$-инвариантность сильных взаимодействий проверена в экспериментах по измерению ряда асимметрий в распадах ${\displaystyle \eta }$-мезона на нейтральный и заряженные пионы с точностью порядка 0,1 %. ${\displaystyle C}$-инвариантность электромагнитных взаимодействий проверена в распадах нейтральных пионов на три фотона с точностью 0,000003 % и в распадах ${\displaystyle \eta }$-мезонов на нейтральный пион и фотон с точностью 0,009 %.

В процессах, обусловленных слабым взаимодействием, инвариантность относительно зарядового сопряжения нарушается. Это стало ясно после того, как в 1956 г. группа экспериментаторов под руководством Ву Цзяньсюн обнаружила несохранение пространственной чётности (${\displaystyle P}$-чётности) в бета-распаде ${\displaystyle Co^{60}}$, поставив опыт, предложенный Ли Цзундао и Янг Чжэньином. Сразу же после этого Р. Эме и Л. Б. Окунь с сотрудниками показали, что такое нарушение ${\displaystyle P}$-чётности означает, что ${\displaystyle C}$-инвариантность также должна нарушаться в распадах, обусловленных слабым взаимодействием. В 1957 г. Л. Д. Ландау и Янг Чжэньин предположили, что законы природы должны быть инвариантны относительно преобразования комбинированной инверсии (СP-преобразование). Некоторые источники указывают, что сходные идеи были также высказаны А. Саламом. Тем не менее впервые предположение о том, что точной симметрией является именно инвариантность относительно ${\displaystyle CP}$-преобразования, а дискретные симметрии могут нарушаться по отдельности, было выдвинуто, по-видимому, А. Вайтманом, Е. Вигнером и Дж. Виком ещё в 1952 г., когда научное сообщество практически не сомневалось в том, что каждая дискретная симметрия является точной.

Комбинированная инверсия является более естественным преобразованием, т. к. (в отличие от ${\displaystyle C}$- и ${\displaystyle P}$-преобразований в отдельности) переводит физические состояния в физические. Так, например, при действии только операции зарядового сопряжения (${\displaystyle C}$-преобразования) наблюдаемое в природе левокиральное нейтрино с лептонным зарядом ${\displaystyle L=1}$ переходит в ненаблюдаемое левокиральное состояние с ${\displaystyle L=-1}$, т. е. физическое состояние переходит в нефизическое. В то же время при действии ${\displaystyle CP}$-преобразования левокиральное нейтрино с ${\displaystyle L=1}$ переходит в физическое состояние – наблюдаемое в природе правокиральное антинейтрино с ${\displaystyle L=-1}$.

Одним из первых, кто предположил, что инвариантность относительно комбинированной инверсии также может нарушаться, был Л. Б. Окунь, по предложению которого в Дубне в 1962 г. провели неудачный эксперимент по поиску нарушения ${\displaystyle CP}$-инвариантности в распадах нейтральных ${\displaystyle K}$-мезонов. В 1964 г. Дж. Кристенсон, Дж. Кронин, Р. Тюрле и В. Фитч открыли в распадах нейтральных ${\displaystyle K}$-мезонов т. н. косвенное нарушение ${\displaystyle CP}$-инвариантности. В 1990-х гг. в экспериментах NA31 и NA48 в ЦЕРН и в эксперименте KTeV в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб, США) было открыто прямое нарушение ${\displaystyle CP}$-инвариантности в осцилляциях нейтральных ${\displaystyle K}$-мезонов. В 2000-х гг. нарушение ${\displaystyle CP}$-инвариантности было обнаружено также в распадах ${\displaystyle B}$-мезонов. В 2019 г. коллаборация LHCb (ЦЕРН) объявила об открытии нарушения ${\displaystyle CP}$-инвариантности в распадах нейтральных ${\displaystyle D}$-мезонов.

С точки зрения современной космологии нарушение ${\displaystyle CP}$-инвариантности является одним из необходимых условий, предложенных А. Д. Сахаровым, позволяющих объяснить преобладание вещества над антивеществом в наблюдаемой Вселенной.

Открытие нарушения дискретных симметрий (и несохранение соответствующих чётностей) оказалось неожиданностью для подавляющей части научного сообщества, высоко оценившего эти результаты. В 1957 г. Ли Цзундао и Янг Чжэньин стали лауреатами Нобелевской премии по физике за «глубокие исследования так называемых законов чётности, которые привели к важным открытиям в области элементарных частиц» (The Nobel Prize in Physics 1957 // The Nobel Prize). За открытие нарушение ${\displaystyle CP}$-инвариантности в 1980 г. Нобелевской премии по физике были удостоены Дж. Кронин и В. Фитч. В 2008 г. за открытие механизма нарушения ${\displaystyle CP}$-инвариантности и предсказание существования не менее трёх поколений кварков Нобелевскую премию получили Кобаяси Макото и Маскава Тосихидэ (совместно с Намбу Йоитиро).

В 1954–1957 гг. Г. Людерс, Б. Дзумино и В. Паули доказали фундаментальную CPT-теорему, утверждающую, что зарядовое сопряжение (${\displaystyle C}$-преобразование), обращение времени (${\displaystyle T}$-преобразование), пространственная инверсия (${\displaystyle P}$-преобразование) – три дискретные симметрии, относительно которых совместно (${\displaystyle CPT}$-преобразование) должна быть инвариантна любая физическая система, описываемая релятивистски-инвариантной локальной квантовой теорией поля со стандартной связью спина и статистики.

Современная теория элементарных частиц и взаимодействий – Стандартная модель – построена таким образом, что её составные части – квантовая хромодинамика и квантовая электродинамика, описывающие соответственно сильное и электромагнитное взаимодействия, инвариантны относительно операции зарядового сопряжения. Слабые взаимодействия в Стандартной модели устроены так, что поля лево- и правокиральных фермионов по-разному взаимодействуют с переносчиками слабых взаимодействий ${\displaystyle W}$- и ${\displaystyle Z}$-бозонами, нарушая по отдельности ${\displaystyle C}$- и ${\displaystyle P}$-инвариантность именно так, как это и наблюдается в природе. Механизмы же нарушения ${\displaystyle CP}$-инвариантности в настоящее время поняты не до конца. В Стандартной модели источником нарушения ${\displaystyle CP}$-инвариантности является комплексная фаза в матрице смешивания фермионов Кабиббо – Кобаяси – Маскава. Однако её величина слишком мала, чтобы объяснить наблюдаемые данные, например барионную асимметрию Вселенной.