CP ihlali

Parçacık fiziğinde, Yük-Parite (YP) ihlali, kabul edilen YP-simetrisinin bir ihlalidir: Y-simetrisinin (yük simetrisi) ve P-simetrisinin (parite simetrisi) birleşimi. YP-simetrisi, bir parçacık antiparçacığı ile değiş-tokuş edildiğinde (Y simetrisi) ve uzaysal koordinatları ters çevrildiğinde ("ayna" veya P simetrisi) fizik kurallarının aynı kalacağını belirtir. YP ihlalinin nötr kaonların bozunumuyla yapılan keşfi, bulucuları James Cronin ve Val Fitch için 1964 yılında Nobel Fizik Ödülü ile sonuçlanmıştır.

Kozmolojinin, şu anki evrendeki maddenin antimaddeye olan baskınlığını açıklama girişiminde ve parçacık fiziğinde zayıf etkileşim çalışmalarında büyük bir rol üstlenmiştir.

YP-simetrisi, iki simetrinin ürünüdür: Bir parçacığı anitparçacığına dönüştüren yük için Y ve bir fiziksel sistemin ayna görüntüsünü alan P. Güçlü ve elektromanyetik etkileşme birleşmiş YP dönüşüm işlemi altında değişmez olarak gözükmektedir. Ama bu simetri belirli zayıf bozunmalar esnasında kısmen ihlal edilmektedir. Tarihsel açıdan, YP-simetrisi 1950'lerdeki parite ihlalinin keşfinden sonra düzenin tekrar sağlanması için önerilmiştir.

Parite simetrisinin arkasındaki fikir parçacık fiziği denklemlerinin ayna evrilmesi altında değişmez kalmasıdır. Bu da bir tepkimenin (kimyasal veya nükleer tepkime gibi) ayna görüntüsünün, orijinal tepkimeyle aynı oranda olması kestiriminin yapılmasına yol açar. Parite simetrisi, elektromanyetik ve güçlü etkileşim de dahil olmak üzere tüm tepkimeler için geçerli gibi gözükmektedir. 1956 yılına kadar, parite korunumunun temel geometrik korunum yasalarından biri olduğuna inanılıyordu (enerji korunumu ve momentum korunumu ile beraber). Ancak, 1956 yılında teorik fizikçiler Tsung-Dao-Lee ve Chen-Ning Yang tarafından var olan deneysel verilerin dikkatli bir değerlendirilmesi, parite korunumunun güçlü ve elektromanyetik etkileşimler ile doğrulandığı ancak zayıf etkileşimde denenmediğini ortaya çıkardı. Birkaç muhtemel deney testleri önerdiler. Kobalt-60 çekirdeklerinin beta bozunumunu temel alan ilk test Chien-Shiung Wu tarafından yönetilen bir grup tarafından yapıldı ve zayıf etkileşimlerin P-simetrisini kesin olarak ihlal ettiğini (veya bazı tepkimelerin ayna görüntülerinin tepkimeleri ile aynı oranda oluşmadığını) gösterdi.

Genel olarak, kuantum mekaniksel bir sistemin simetrisi, eğer birleşmiş PS simetrisi aynı kalacak şekilde başka bir S simetrisi bulunursa yeniden oluşturulabilir. Hilbert uzayı yapısının bu incelikli noktası, P-ihlalinin keşfinden kısa bir süre sonra anlaşıldı ve yük konjugasyonunun düzeni yeniden sağlamak için gerekli olan simetri olduğu öne sürüldü.

Basitçe söylemek gerekirse, yük konjugasyonu parçacıklar ve antiparçacıklar arasında bir simetridir ve YP-simetrisi 1957 yılında Lev Landau tarafından  madde ve antimadde arasındaki asıl simetri olarak  önerilmiştir. Başka bir deyişle, tüm parçacıkların antiparçacıklarıyla değiş-tokuş edilmesi, orijinal sürecin ayna görüntüsüne denk olarak varsayılmıştır.

Standart Model'de eğer kuark karışımını tanımlayan CKM matrisinde  veya nötrino karışımını tanımlayan PMNS matrisinde bir karmaşık faz mevcutsa, doğrudan YP-ihlali izinlidir. Karmaşık fazın mevcudiyetinin bir gerek koşulu en az üç kuark ailesinin varlığıdır (eğer daha az aile mevcut ise karmaşık faz parametresi, kuark alanlarının yeniden tanımlanmaları içine gömülebilir).

Böyle bir karmaşık fazın YP-ihlaline neden sebep olduğu doğrudan doğruya belirgin değildir ancak şu şekilde görülebilir. ${\displaystyle a}$ ve ${\displaystyle b}$ parçacıklarını ve antiparçacıkları ${\displaystyle {\bar {a}}}$ ve ${\displaystyle {\bar {b}}}$'ı (veya parçacık setlerini) ele alalım. Şimdi ${\displaystyle a\rightarrow b}$ sürecini ve karşılık gelen antiparçacık süreci olan ${\displaystyle {\bar {a}}\rightarrow {\bar {b}}}$ sürecini göz önünde bulunduralım ve genliklerini de sırasıyla ${\displaystyle M}$ ve ${\displaystyle {\bar {M}}}$ ile gösterelim. YP-ihlalinden önce bu terimler aynı karmaşık ifade olmalı. Genlikleri ve fazlarını ${\displaystyle M=|M|e^{i\theta }}$ yazarak ayırabiliriz. Eğer bir faz terimi (örneğin) CKM matrisinden tanıtılıyorsa onu ${\displaystyle e^{i\phi }}$olarak gösterelim. Dikkat edilmelidir ki ${\displaystyle {\bar {M}}}$, ${\displaystyle M}$'nin eşlenik matrisini içermektedir, o zaman ${\displaystyle e^{-i\phi }}$ faz terimini almaktadır. Bu durumda:

${\displaystyle M=|M|e^{i\theta }e^{i\phi }}$

${\displaystyle {\bar {M}}=|M|e^{i\theta }e^{-i\phi }}$

Fiziksel olarak ölçülebilir tepkime oranları ${\displaystyle |M|^{2}}$${\displaystyle a\rightarrow b}$

${\displaystyle M=|M_{1}|e^{i\theta _{1}}e^{i\phi _{1}}+|M_{2}|e^{i\theta _{2}}e^{i\phi _{2}}}$

${\displaystyle {\bar {M}}=|M_{1}|e^{i\theta _{1}}e^{-i\phi _{1}}+|M_{2}|e^{i\theta _{2}}e^{-i\phi _{2}}}$

Biraz daha hesaplama ile:

${\displaystyle |M|^{2}-|{\bar {M}}|^{2}=4|M_{1}||M_{2}|\sin(\theta _{1}-\theta _{2})\sin(\phi _{1}-\phi _{2})}$

Böylece, karmaşık fazın parçacık ve antiparçacıklar için farklı oranlarda işleyen süreçler verdiğini görürüz ve burumda  da YP ihlal edilmektedir.