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CP Verletzung Eine C für charge conjugation Ladungskonjugation P für parity Parität ist eine Abweichung von den physikal

CP-Verletzung

Eine CP-Verletzung (C für charge conjugation ‚Ladungskonjugation‘; P für parity ‚Parität‘) ist eine Abweichung von den physikalischen Zusammenhängen und Gesetzmäßigkeiten in einem System bei erwarteter CP-Invarianz, der Erwartung, dass die Zusammenhänge und Gesetze gleich bleiben, wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten gespiegelt werden.

Entdeckung und Vorgeschichte Bearbeiten

Scheinbare P-Invarianz und Paritätsverletzung Bearbeiten

Gemäß der normalen Alltagserfahrung sollte sich die Physik in einer Spiegelwelt nicht von ihrem Original unterscheiden. Das heißt, jeder Vorgang, der in einem Spiegel beobachtet wird, sollte sich durch geeignete experimentelle Anordnung auch in der normalen Welt realisieren lassen (P-Invarianz).

Schon 1956 postulierten Tsung-Dao Lee und Chen Ning Yang allerdings, dass die schwache Wechselwirkung, der der Beta-Zerfall unterliegt, die Punktsymmetrie verletzt. Noch im gleichen Jahr wurde diese Paritätsverletzung durch Chien-Shiung Wu im Wu-Experiment bestätigt. Die schwache Wechselwirkung bevorzugt dabei die Linkshändigkeit (also die Drehrichtung des Spins von Elementarteilchen bezüglich der Flugrichtung wie bei einer Linksschraube) gegenüber der Rechtshändigkeit. Nur linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen nehmen an ihr teil. An der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung nehmen links- und rechtshändige Teilchen mit gleicher Stärke teil.

Die Paritätsverletzung lässt sich gut an Neutrinos illustrieren, die ausschließlich schwach wechselwirken und nur als linkshändige Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos vorkommen können. Unter der Paritätstransformation („Punktspiegelung“) wird aber aus einem linkshändigen Neutrino ein rechtshändiges Neutrino.

Scheinbare C-Invarianz und C-Verletzung Bearbeiten

Physikern ist schon seit den 1930er Jahren bekannt, dass es zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen gibt. Ursprünglich sprachen die Theorie sowie Beobachtungen dafür, dass alle Wechselwirkungen und Zerfälle von Antiteilchen genau so ablaufen wie mit normalen Teilchen, dass sie also invariant unter Ladungskonjugation, kurz C-invariant, seien. Die elektromagnetische und die starke Wechselwirkung erhalten C. Beispielsweise ist das Coulombsche Gesetz invariant unter der Ladungskonjugation. Die schwache Wechselwirkung verletzt dagegen C, was sich ebenfalls an Neutrinos illustrieren lässt. Unter der Ladungskonjugation wird aus einem linkshändigen Neutrino ein linkshändiges Antineutrino, das experimentell nicht beobachtet wird.

Scheinbare CP-Invarianz Bearbeiten

Vertauscht man zusätzlich zur Spiegelung auch noch Teilchen mit Antiteilchen (C+P), so entsteht kein Widerspruch mehr zu der oben genannten Situation, denn es wird aus einem linkshändigen Neutrino unter der CP-Transformation ein rechtshändiges Antineutrino (Lew Landau 1957).

Entdeckung der CP-Verletzung Bearbeiten

1964 entdeckten die amerikanischen Physiker James Christenson, James Cronin, Val Fitch und René Turlay (Nobelpreis für Physik für Cronin und Fitch 1980) eine winzige Unregelmäßigkeit beim Zerfall schwerer neutraler K-Mesonen (Kaonen), die auf eine Verletzung auch der kombinierten CP-Symmetrie schließen ließ. Bei der Untersuchung der Zerfälle von -Mesonen (das L steht für long-lived) in einem Experiment am Alternating Gradient Synchrotron des Brookhaven National Laboratory wurden mit einer Rate von etwa 2 ‰ die CP-verletzenden Zerfälle des -Mesons in zwei geladene -Mesonen (Pionen) beobachtet.

Durch die Mischung im System der neutralen Kaonen, d. h., ein () kann in sein Antiteilchen () übergehen, bilden sich Masseneigenzustände, die unterschiedliche Massen und Lebensdauern aufweisen. Der Massenunterschied ist äußerst gering, wohingegen der Lebensdauerunterschied sehr groß ist. Man unterscheidet zwischen dem kurzlebigen und dem langlebigen , deren Lebensdauern sich ungefähr um einen Faktor 600 unterscheiden.

() können in die gleichen Endzustände zerfallen, wobei Endzustände mit 2 Pionen und einem CP-Eigenwert von +1 und mit 3 Pionen und einem CP-Eigenwert von −1 von besonderer Bedeutung sind: und .

Aufgrund des größeren Phasenraums hat der Zerfall in 2 Pionen eine deutlich größere partielle Zerfallsbreite. Ist CP erhalten, dann müssen beide Masseneigenzustände im System der neutralen Kaonen ebenfalls CP-Eigenzustände sein. Der kurzlebige Zustand müsste demnach in den 2-Pion-Endzustand und der langlebige in den 3-Pion-Endzustand zerfallen. Zerfälle der Art oder können nur auftreten, wenn die CP-Symmetrie verletzt ist. Im Experiment werden zunächst neutrale Kaonen erzeugt, die eine Superposition aus und -Mesonen bilden. Aufgrund des großen Lebensdauerunterschiedes verschwindet nach einiger Zeit der -Anteil, und es verbleiben nur noch -Mesonen. Um dies zu erreichen, wurden die Kaonen in einigem Abstand vom Detektor erzeugt, sodass aufgrund der benötigten Flugzeit nur noch in den Detektor gelangen und dort zerfallen konnten. Die Beobachtung des Zerfalls stellte damit den erstmaligen Nachweis der CP-Verletzung dar.

Geladene Kaonen, die nicht mit ihren Antiteilchen mischen können, können ebenfalls in 2 und 3 Pionen zerfallen. Damit würde man naiv erwarten, dass die geladenen Kaonen und das ähnliche Lebensdauern aufweisen. Geladene Kaonen sind aber deutlich langlebiger . Ganz augenscheinlich ist die partielle Zerfallsbreite für um ein Vielfaches größer als für . Da die 2-Pion Wellenfunktion symmetrisch gegenüber der Vertauschung der beiden Pionen sein muss, kann der 2-Pion-Endzustand für Zerfälle der geladenen Kaonen nur den Isospin haben, wohingegen beim -Zerfall die Endzustände mit Isospin und möglich sind. Da die schwache Wechselwirkung in Kaon-Zerfällen den Endzustand mit Isospin deutlich bevorzugt, ist der 2-Pion-Zerfall bei den neutralen Kaonen so dominant. Die Tatsache aber, dass in -Zerfällen auch Endzustände mit einem Isospin erreicht werden können, ist von Bedeutung in Hinblick auf direkte CP-Verletzung, d. h. CP-Verletzung im Zerfall.

Die von Christenson, Cronin, Fitch und Turlay beobachtete CP-Verletzung hat ihren Ursprung im Wesentlichen in einer CP-Verletzung in der Mischung. Wenn ein nicht mit gleicher Stärke in ein wie ein in ein übergeht, d. h. , dann bestehen die Masseneigenzustände nicht mehr zu gleichen Teilen aus und , wodurch sie nicht mehr CP-Eigenzustände sein können. Direkte CP-Verletzung kann aber auch dazu führen, dass in 2 Pionen zerfallen, wenn und mit unterschiedlicher Stärke in 2 Pionen zerfallen. Offensichtlich lässt sich nur durch eine Messung der Zerfallsrate keine Aussage über den Beitrag der direkten CP-Verletzung treffen. Damit erforderte die Beobachtung der direkten CP-Verletzung in diesem System ein komplexes und langwieriges Messprogramm, bei dem die partiellen Zerfallsbreiten für die Zerfälle

mit Präzision vermessen wurden.

Erhaltung der CPT-Invarianz Bearbeiten

Im Gegensatz zur („zweifach-kombinierten“) CP-Verletzung ist nach einem grundlegenden Theorem von Wolfgang Pauli und Gerhart Lüders bei allen Ereignissen der Quantenfeldtheorie die („dreifach-kombinierte“) CPT-Symmetrie unter allen Umständen invariant (T = Zeitumkehr, d. h. Umkehr der Bewegungsrichtung, der Bahn- und Spin-Drehimpulse und Übergang zum konjugiert Komplexen, ). Diese CPT-Invarianz zusammen mit CP-Verletzung bedeutet eine Verletzung der Zeitsymmetrie (T-Verletzung). Dies konnte experimentell bestätigt werden.

Verknüpfung mit dem Standardmodell Bearbeiten

Im Standardmodell der Teilchenphysik ist die Ursache der CP-Verletzung auf dem Quark-Sektor mit der Erzeugung der Quark-Massen verknüpft. Quarks erhalten ihre Masse durch Kopplung an das Higgs-Feld, wobei zwingend eine Massen-Mischungsmatrix auftritt, die nach den Physikern Nicola Cabibbo, Makoto Kobayashi und Toshihide Masukawa benannt ist (CKM-Matrix). 1972 zeigten Kobayashi und Maskawa, dass diese Matrix komplex ist, wenn in der Natur drei oder mehr Quark-Familien vorliegen. Bei drei Familien liegt der Theorie zufolge genau eine komplexe Phase in der unitären CKM-Matrix vor. Diese Phase ist im Standardmodell verantwortlich für die CP-Verletzung, da sie unter der CP-Operation ihr Vorzeichen wechselt. Da eine partielle Zerfallsbreite oder ein Wirkungsquerschnitt nur das Quadrat des Betrages der zugrundeliegenden Amplitude enthält, müssen gewisse Voraussetzungen erfüllt sein, damit in Teilchen-Reaktionen CP-Verletzung auftreten kann. So muss es mindestens zwei konkurrierende Prozesse geben, die vom selben Anfangszustand zum selben Endzustand führen, sodass es zu einer Interferenz kommt. Drei Typen der CP-Verletzung sind bekannt:

Die CP-Verletzung bleibt ein äußerst aktives Forschungsgebiet, da in zahlreichen anderen Kanälen Tests des Standardmodells mit einer großen Empfindlichkeit auf das Vorhandensein von neuer Physik möglich sind. So bietet auch die Erforschung der CP-Verletzung im System der neutralen -Mesonen derartige Perspektiven. Präzisionsmessungen zur CP-Verletzung im System der B- und Bs-Mesonen sind ein Schwerpunkt des Physikprogramms des LHCb-Experiments am Large Hadron Collider des CERN. In Bau befindlich ist in Japan der Beschleuniger Super-KEKB am KEK, an dem der Nachfolger des Belle-Experiments, Belle II, voraussichtlich 2019 die Datennahme aufnehmen wird.

Im Prinzip sollte auch in der starken Wechselwirkung CP-Verletzung möglich sein, die z. B. zu einem relativ großen elektrischen Dipolmoment des Neutrons führen würde. Experimentelle Hinweise auf eine derartige CP-Verletzung gibt es aber nicht. Diese Diskrepanz wird auch als „strong CP problem“ bezeichnet.

Aufgrund der Beobachtung von Neutrinooszillationen und der damit verbundenen Erkenntnis, dass Neutrinos nicht masselos sind, muss es auch eine Mischungsmatrix, die PMNS-Matrix (manchmal auch nur MNS-Matrix) geben, die nach Bruno Pontecorvo, Ziro Maki, Masami Nakagawa und Shoichi Sakata benannt ist. Wie bei der CKM-Matrix könnte auch hier eine Quelle für CP-Verletzung liegen, die aber noch nicht sicher beobachtet wurde. Im T2K-Experiment fanden sich aber bei Myon-Neutrinos deutliche Hinweise auf eine solche Verletzung (2017).

Kosmologische Notwendigkeit Bearbeiten

Andrei Sacharow merkte in den 1960er Jahren an, dass die CP-Verletzung eine der Voraussetzungen dafür ist, dass es im Universum die beobachtete große Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie geben kann (Baryonenasymmetrie). Unser heutiges Verständnis vom Urknall geht davon aus, dass er Teilchen und Antiteilchen in gleicher Menge hervorbrachte. In der Baryogenese entstand dann das jetzt beobachtete Ungleichgewicht. Was der exakte Mechanismus ist, ist aber umstritten. Experimente müssen klären, welchen Ursprungs die CP-Verletzung ist und ob sie genügend groß ist, um ausreichend Materie erzeugen zu können.

Siehe auch Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Alban Kellerbauer: 50 Jahre CP-Verletzung. In: Physik in Unserer Zeit. 45 (Juli 2014) 168, doi:10.1002/piuz.201401371.
    Direkter Download vom Autor: Artikel (PDF; 874 kB).
  • J. Beringer u. a. (Particle Data Group): Review of particle physics. In: Physical Review. D86, 010001 (2012).
  • Marco Sozzi: Discrete Symmetries and CP-Violation: From Experiment to Theory, Oxford UP 2008
  • Andreas Höcker und Heiko Lacker: Symmetriebrechung und Materie. Verletzung der CP-Symmetrie bei Zerfällen von B-Mesonen. In: Physik Journal. Band 5, Nr. 7, 2006, S. 33–39 (pro-physik.de).
  • Michael Peskin: High-energy physics: The matter with antimatter. In: Nature. Band 419, 2002, S. 24–27.
  • Marcel Kunze, Klaus R. Schubert, Bernhard Spaan: Das BABAR-Experiment. In: Physikalische Blätter. Band 55, Heft 5, 1999, S. 27.
  • G. C. Branco, L. Lavoura, J. P. Silva: CP Violation. Oxford University Press, 1999, ISBN 0-19-850399-7.
  • Makoto Kobayashi, Toshihide Maskawa: CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction. In: Progress of Theoretical Physics Band 49, 1973, S. 652–657.
  • A. D. Sakharov: Violation of CP Invariance, c Asymmetry, and Baryon Asymmetry of the Universe. In: JETP Letters. Band 5, 1967, S. 24–27.
  • J. H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch, R. Turlay: Evidence for the 2π Decay of the K20 Meson. In: Physical Review Letters. Band 13, 1964, S. 138–140.

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. BaBar makes first direct measurement of time-reversal violation. 21. November 2012, abgerufen am 18. Dezember 2017.
  2. A. Alavi-Harati u. a. (KTEV): Observation of Direct CP Violation in KS,L→π π Decays. In: Phys. Rev. Lett. 83, 22 (1999).
  3. V. Fanti u. a. (NA48): A new measurement of direct CP violation in two pion decays of the neutral kaon. In: Phys. Lett. B 465, 335 (1999).
  4. Theresa Harrison: NA31/48: the pursuit of direct CP violation. In: CERN.Courier.com. 23. Juli 2014.
  5. G. D. Barr u. a. (NA31): A new measurement of direct CP violation in the neutral kaon system. In: Phys. Lett. B 317, 233 (1993).
  6. B. Aubert u. a. (BABAR): Direct CP Violating Asymmetry in B0→ K+π− Decays. In: Phys. Rev. Lett. 93, 131801 (2004).
  7. L. Wolfenstein: Violation of CP Invariance and the Possibility of Very Weak Interactions. In: Phys. Rev. Lett. 13, 562 (1964).
  8. B. Aubert u. a. (BABAR): Observation of CP violation in the B0 meson system. In: Phys. Rev. Lett. 87, 091801, (2001).
  9. K. Abe u. a. (Belle): Observation of Large CP Violation in the Neutral B Meson System. In: Phys. Rev. Lett. 87, 091802 (2001).
  10. Belle II detector rolled-in. In: belle2.jp. 26. Juni 2017, abgerufen am 7. November 2017.
  11. U. Bern: CP-Symmetrie für Neutrinos verletzt. 11. August 2017, abgerufen am 4. Februar 2018.
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Eine CP Verletzung C fur charge conjugation Ladungskonjugation P fur parity Paritat ist eine Abweichung von den physikalischen Zusammenhangen und Gesetzmassigkeiten in einem System bei erwarteter CP Invarianz der Erwartung dass die Zusammenhange und Gesetze gleich bleiben wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten gespiegelt werden Inhaltsverzeichnis 1 Entdeckung und Vorgeschichte 1 1 Scheinbare P Invarianz und Paritatsverletzung 1 2 Scheinbare C Invarianz und C Verletzung 1 3 Scheinbare CP Invarianz 1 4 Entdeckung der CP Verletzung 1 5 Erhaltung der CPT Invarianz 2 Verknupfung mit dem Standardmodell 3 Kosmologische Notwendigkeit 4 Siehe auch 5 Literatur 6 Weblinks 7 EinzelnachweiseEntdeckung und Vorgeschichte BearbeitenScheinbare P Invarianz und Paritatsverletzung Bearbeiten Gemass der normalen Alltagserfahrung sollte sich die Physik in einer Spiegelwelt nicht von ihrem Original unterscheiden Das heisst jeder Vorgang der in einem Spiegel beobachtet wird sollte sich durch geeignete experimentelle Anordnung auch in der normalen Welt realisieren lassen P Invarianz Schon 1956 postulierten Tsung Dao Lee und Chen Ning Yang allerdings dass die schwache Wechselwirkung der der Beta Zerfall unterliegt die Punktsymmetrie verletzt Noch im gleichen Jahr wurde diese Paritatsverletzung durch Chien Shiung Wu im Wu Experiment bestatigt Die schwache Wechselwirkung bevorzugt dabei die Linkshandigkeit also die Drehrichtung des Spins von Elementarteilchen bezuglich der Flugrichtung wie bei einer Linksschraube gegenuber der Rechtshandigkeit Nur linkshandige Teilchen und rechtshandige Antiteilchen nehmen an ihr teil An der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung nehmen links und rechtshandige Teilchen mit gleicher Starke teil Die Paritatsverletzung lasst sich gut an Neutrinos illustrieren die ausschliesslich schwach wechselwirken und nur als linkshandige Neutrinos und rechtshandige Antineutrinos vorkommen konnen Unter der Paritatstransformation Punktspiegelung wird aber aus einem linkshandigen Neutrino ein rechtshandiges Neutrino Scheinbare C Invarianz und C Verletzung Bearbeiten Physikern ist schon seit den 1930er Jahren bekannt dass es zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen gibt Ursprunglich sprachen die Theorie sowie Beobachtungen dafur dass alle Wechselwirkungen und Zerfalle von Antiteilchen genau so ablaufen wie mit normalen Teilchen dass sie also invariant unter Ladungskonjugation kurz C invariant seien Die elektromagnetische und die starke Wechselwirkung erhalten C Beispielsweise ist das Coulombsche Gesetz invariant unter der Ladungskonjugation Die schwache Wechselwirkung verletzt dagegen C was sich ebenfalls an Neutrinos illustrieren lasst Unter der Ladungskonjugation wird aus einem linkshandigen Neutrino ein linkshandiges Antineutrino das experimentell nicht beobachtet wird Scheinbare CP Invarianz Bearbeiten Vertauscht man zusatzlich zur Spiegelung auch noch Teilchen mit Antiteilchen C P so entsteht kein Widerspruch mehr zu der oben genannten Situation denn es wird aus einem linkshandigen Neutrino unter der CP Transformation ein rechtshandiges Antineutrino Lew Landau 1957 Entdeckung der CP Verletzung Bearbeiten 1964 entdeckten die amerikanischen Physiker James Christenson James Cronin Val Fitch und Rene Turlay Nobelpreis fur Physik fur Cronin und Fitch 1980 eine winzige Unregelmassigkeit beim Zerfall schwerer neutraler K Mesonen Kaonen die auf eine Verletzung auch der kombinierten CP Symmetrie schliessen liess Bei der Untersuchung der Zerfalle von K L 0 displaystyle K L 0 nbsp Mesonen das L steht fur long lived in einem Experiment am Alternating Gradient Synchrotron des Brookhaven National Laboratory wurden mit einer Rate von etwa 2 die CP verletzenden Zerfalle des K L 0 displaystyle K L 0 nbsp Mesons in zwei geladene p displaystyle pi nbsp Mesonen Pionen beobachtet Durch die Mischung im System der neutralen Kaonen d h ein K 0 displaystyle K 0 nbsp K 0 displaystyle bar K 0 nbsp kann in sein Antiteilchen K 0 displaystyle bar K 0 nbsp K 0 displaystyle K 0 nbsp ubergehen bilden sich Masseneigenzustande die unterschiedliche Massen und Lebensdauern aufweisen Der Massenunterschied ist ausserst gering wohingegen der Lebensdauerunterschied sehr gross ist Man unterscheidet zwischen dem kurzlebigen K S 0 displaystyle K S 0 nbsp t K S 0 0 9 10 10 s displaystyle tau K S 0 approx 0 9 cdot 10 10 mathrm s nbsp und dem langlebigen K L 0 displaystyle K L 0 nbsp t K L 0 5 1 10 8 s displaystyle tau K L 0 approx 5 1 cdot 10 8 mathrm s nbsp deren Lebensdauern sich ungefahr um einen Faktor 600 unterscheiden K 0 displaystyle K 0 nbsp K 0 displaystyle bar K 0 nbsp konnen in die gleichen Endzustande zerfallen wobei Endzustande mit 2 Pionen und einem CP Eigenwert von 1 und mit 3 Pionen und einem CP Eigenwert von 1 von besonderer Bedeutung sind C P p p p p displaystyle CP pi pi rangle pi pi rangle nbsp und C P p p p p p p displaystyle CP pi pi pi rangle pi pi pi rangle nbsp Aufgrund des grosseren Phasenraums hat der Zerfall in 2 Pionen eine deutlich grossere partielle Zerfallsbreite Ist CP erhalten dann mussen beide Masseneigenzustande im System der neutralen Kaonen ebenfalls CP Eigenzustande sein Der kurzlebige Zustand musste demnach in den 2 Pion Endzustand und der langlebige in den 3 Pion Endzustand zerfallen Zerfalle der Art K L 0 p p displaystyle K L 0 rightarrow pi pi nbsp oder K S 0 p p p displaystyle K S 0 rightarrow pi pi pi nbsp konnen nur auftreten wenn die CP Symmetrie verletzt ist Im Experiment werden zunachst neutrale Kaonen erzeugt die eine Superposition aus K S 0 displaystyle K S 0 nbsp und K L 0 displaystyle K L 0 nbsp Mesonen bilden Aufgrund des grossen Lebensdauerunterschiedes verschwindet nach einiger Zeit der K S 0 displaystyle K S 0 nbsp Anteil und es verbleiben nur noch K L 0 displaystyle K L 0 nbsp Mesonen Um dies zu erreichen wurden die Kaonen in einigem Abstand vom Detektor erzeugt sodass aufgrund der benotigten Flugzeit nur noch 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displaystyle K S 0 nbsp Zerfall die Endzustande mit Isospin I 0 displaystyle I 0 nbsp und I 2 displaystyle I 2 nbsp moglich sind Da die schwache Wechselwirkung in Kaon Zerfallen den Endzustand mit Isospin I 0 displaystyle I 0 nbsp deutlich bevorzugt ist der 2 Pion Zerfall bei den neutralen Kaonen so dominant Die Tatsache aber dass in K S 0 displaystyle K S 0 nbsp Zerfallen auch Endzustande mit einem Isospin I 2 displaystyle I 2 nbsp erreicht werden konnen ist von Bedeutung in Hinblick auf direkte CP Verletzung d h CP Verletzung im Zerfall Die von Christenson Cronin Fitch und Turlay beobachtete CP Verletzung hat ihren Ursprung im Wesentlichen in einer CP Verletzung in der Mischung Wenn ein K 0 displaystyle K 0 nbsp nicht mit gleicher Starke in ein K 0 displaystyle bar K 0 nbsp wie ein K 0 displaystyle bar K 0 nbsp in ein K 0 displaystyle K 0 nbsp ubergeht d h G K 0 K 0 G K 0 K 0 displaystyle Gamma K 0 rightarrow bar K 0 neq Gamma bar K 0 rightarrow K 0 nbsp dann bestehen die 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Erhaltung der CPT Invarianz Bearbeiten Im Gegensatz zur zweifach kombinierten CP Verletzung ist nach einem grundlegenden Theorem von Wolfgang Pauli und Gerhart Luders bei allen Ereignissen der Quantenfeldtheorie die dreifach kombinierte CPT Symmetrie unter allen Umstanden invariant T Zeitumkehr d h Umkehr der Bewegungsrichtung der Bahn und Spin Drehimpulse und Ubergang zum konjugiert Komplexen i i displaystyle i rightarrow i nbsp Diese CPT Invarianz zusammen mit CP Verletzung bedeutet eine Verletzung der Zeitsymmetrie T Verletzung Dies konnte experimentell bestatigt werden 1 Verknupfung mit dem Standardmodell BearbeitenIm Standardmodell der Teilchenphysik ist die Ursache der CP Verletzung auf dem Quark Sektor mit der Erzeugung der Quark Massen verknupft Quarks erhalten ihre Masse durch Kopplung an das Higgs Feld wobei zwingend eine Massen Mischungsmatrix auftritt die nach den Physikern Nicola Cabibbo Makoto Kobayashi und Toshihide Masukawa benannt ist CKM Matrix 1972 zeigten Kobayashi und Maskawa dass diese Matrix komplex ist wenn in der Natur drei oder mehr Quark Familien vorliegen Bei drei Familien liegt der Theorie zufolge genau eine komplexe Phase in der unitaren CKM Matrix vor Diese Phase ist im Standardmodell verantwortlich fur die CP Verletzung da sie unter der CP Operation ihr Vorzeichen wechselt Da eine partielle Zerfallsbreite oder ein Wirkungsquerschnitt nur das Quadrat des Betrages der zugrundeliegenden Amplitude enthalt mussen gewisse Voraussetzungen erfullt sein damit in Teilchen Reaktionen CP Verletzung auftreten kann So muss es mindestens zwei konkurrierende Prozesse geben die vom selben Anfangszustand zum selben Endzustand fuhren sodass es zu einer Interferenz kommt Drei Typen der CP Verletzung sind bekannt CP Verletzung in der Teilchen Antiteilchen Mischung auch als indirekte CP Verletzung bekannt Neutrale Kaonen D Mesonen und B Mesonen konnen mit ihren Antiteilchen mischen d h sie konnen ineinander ubergehen oszillieren z B B 0 B 0 displaystyle B 0 rightarrow bar B 0 nbsp und B 0 B 0 displaystyle bar B 0 rightarrow B 0 nbsp B 0 B 0 displaystyle B 0 bar B 0 nbsp Oszillationen CP Verletzung in der Mischung tritt dann auf wenn z B die Rate G K 0 K 0 displaystyle Gamma K 0 rightarrow bar K 0 nbsp verschieden ist von G K 0 K 0 displaystyle Gamma bar K 0 rightarrow K 0 nbsp Die im Jahr 1964 im System der neutralen Kaonen beobachtete CP Verletzung kann im Wesentlichen darauf zuruckgefuhrt werden CP Verletzung im Zerfall auch als direkte CP Verletzung bekannt Direkte CP Verletzung liegt vor wenn die partielle Zerfallsbreite fur den Zerfall eines Teilchens T displaystyle T nbsp in einen Endzustand E displaystyle E nbsp G T E displaystyle Gamma T rightarrow E nbsp verschieden ist von der seines Antiteilchens d h G T E G T E displaystyle Gamma T rightarrow E neq Gamma bar T rightarrow bar E nbsp Direkte CP Verletzung im Kaon System wurde 1999 mit den Experimenten KTEV am Fermilab und NA48 dem Nachfolger von NA31 am CERN erstmals beobachtet 2 3 Sie bestatigten eine Messung des NA31 Experiments am CERN ab dem Jahr 1988 Veroffentlichung 1993 die aber als Drei Sigma Ereignis statistisch nicht ausreichend signifikant war um als zweifelsfreie Beobachtung zu gelten 4 5 Im B Meson System wurde die direkte CP Verletzung erstmals im Jahr 2004 durch das BaBar Experiment am SLAC gefunden 6 Direkte CP Verletzung kann nur auftreten wenn es mindestens zwei konkurrierende Prozesse Amplituden gibt die unterschiedliche schwache Phasen die unter CP Operation ihr Vorzeichen wechseln aber auch unterschiedliche weitere Phasen die unter der CP Operation ihr Vorzeichen nicht wechseln tragen Derartige Phasen gehen auf Wechselwirkungen wie die starke Wechselwirkung zuruck die invariant unter der CP Operation sind Daher spricht man in diesem Zusammenhang auch von starken Phasen Die Interpretation von Messungen zur direkten CP Verletzung ist aufgrund von Problemen in der Berechnung der starken Phasendifferenzen erschwert Dennoch wurde insbesondere im Kaon Sektor intensiv nach direkter CP Verletzung gesucht da durch sie Modelle der sogenannten superschwachen Wechselwirkung 7 wie sie 1964 von Lincoln Wolfenstein vorgeschlagen wurde ausgeschlossen werden konnten CP Verletzung in der Interferenz zwischen Mischung und Zerfall Diese Art der CP Verletzung kann auftreten wenn ein Teilchen und das dazugehorige Antiteilchen in den gleichen Endzustand zerfallen konnen Ein derartiges Teilchen unterliegt damit der Teilchen Antiteilchen Mischung sodass der Endzustand direkt oder uber den Umweg der Umwandlung in das Antiteilchen und dessen Zerfall erreicht werden kann Im Kaon System ist das Phanomen gut bekannt im B Meson System ermoglicht die Untersuchung einen sensitiven Test des Standardmodells zur Herkunft der CP Verletzung Aufgrund der Struktur der CKM Matrix musste die CP Verletzung bei Ubergangen zwischen Quarks der dritten Bottom und Top Quark und der ersten Generation Down und Up Quark am ausgepragtesten sein B Mesonen die neben einem leichten auch das schwere Bottom Quark enthalten sind daher die idealen Prufkandidaten fur den Test der Theorie Sie besitzen ungefahr die funffache Protonenmasse und haben eine Lebensdauer von etwa 1 5 10 12 s displaystyle 1 5 cdot 10 12 mathrm s nbsp In B 0 displaystyle B 0 nbsp Meson Zerfallen in ein J ps displaystyle J psi nbsp Meson und ein neutrales Kaon B 0 J ps K S 0 displaystyle B 0 rightarrow J psi K S 0 nbsp konnte diese Art der CP Verletzung erstmals fur B Mesonen durch das BaBar Experiment und durch das Belle Experiment beobachtet werden 8 9 Sie ist mittlerweile mit grosser Prazision bekannt und ist in ausgezeichneter Ubereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells Nach dieser Bestatigung der Vorhersage von Kobayashi und Maskawa wurde beiden im Jahr 2008 der Nobelpreis fur Physik verliehen Die CP Verletzung bleibt ein ausserst aktives Forschungsgebiet da in zahlreichen anderen Kanalen Tests des Standardmodells mit einer grossen Empfindlichkeit auf das Vorhandensein von neuer Physik moglich sind So bietet auch die Erforschung der CP Verletzung im System der neutralen B s 0 displaystyle B s 0 nbsp Mesonen derartige Perspektiven Prazisionsmessungen zur CP Verletzung im System der B und Bs Mesonen sind ein Schwerpunkt des Physikprogramms des LHCb Experiments am Large Hadron Collider des CERN In Bau befindlich ist in Japan der Beschleuniger Super KEKB am KEK an dem der Nachfolger des Belle Experiments Belle II voraussichtlich 2019 die Datennahme aufnehmen wird 10 Im Prinzip sollte auch in der starken Wechselwirkung CP Verletzung moglich sein die z B zu einem relativ grossen elektrischen Dipolmoment des Neutrons fuhren wurde Experimentelle Hinweise auf eine derartige CP Verletzung gibt es aber nicht Diese Diskrepanz wird auch als strong CP problem bezeichnet Aufgrund der Beobachtung von Neutrinooszillationen und der damit verbundenen Erkenntnis dass Neutrinos nicht masselos sind muss es auch eine Mischungsmatrix die PMNS Matrix manchmal auch nur MNS Matrix geben die nach Bruno Pontecorvo Ziro Maki Masami Nakagawa und Shoichi Sakata benannt ist Wie bei der CKM Matrix konnte auch hier eine Quelle fur CP Verletzung liegen die aber noch nicht sicher beobachtet wurde Im T2K Experiment fanden sich aber bei Myon Neutrinos deutliche Hinweise auf eine solche Verletzung 2017 11 Kosmologische Notwendigkeit BearbeitenAndrei Sacharow merkte in den 1960er Jahren an dass die CP Verletzung eine der Voraussetzungen dafur ist dass es im Universum die beobachtete grosse Dominanz der Materie gegenuber der Antimaterie geben kann Baryonenasymmetrie Unser heutiges Verstandnis vom Urknall geht davon aus dass er Teilchen und Antiteilchen in gleicher Menge hervorbrachte In der Baryogenese entstand dann das jetzt beobachtete Ungleichgewicht Was der exakte Mechanismus ist ist aber umstritten Experimente mussen klaren welchen Ursprungs die CP Verletzung ist und ob sie genugend gross ist um ausreichend Materie erzeugen zu konnen Siehe auch BearbeitenB FabrikLiteratur BearbeitenAlban Kellerbauer 50 Jahre CP Verletzung In Physik in Unserer Zeit 45 Juli 2014 168 doi 10 1002 piuz 201401371 Direkter Download vom Autor Artikel PDF 874 kB J Beringer u a Particle Data Group Review of particle physics In Physical Review D86 010001 2012 Marco Sozzi Discrete Symmetries and CP Violation From Experiment to Theory Oxford UP 2008 Andreas Hocker und Heiko Lacker Symmetriebrechung und Materie Verletzung der CP Symmetrie bei Zerfallen von B Mesonen In Physik Journal Band 5 Nr 7 2006 S 33 39 pro physik de Michael Peskin High energy physics The matter with antimatter In Nature Band 419 2002 S 24 27 Marcel Kunze Klaus R Schubert Bernhard Spaan Das BABAR Experiment In Physikalische Blatter Band 55 Heft 5 1999 S 27 G C Branco L Lavoura J P Silva CP Violation Oxford University Press 1999 ISBN 0 19 850399 7 Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction In Progress of Theoretical Physics Band 49 1973 S 652 657 A D Sakharov Violation of CP Invariance c Asymmetry and Baryon Asymmetry of the Universe In JETP Letters Band 5 1967 S 24 27 J H Christenson J W Cronin V L Fitch R Turlay Evidence for the 2p Decay of the K20 Meson In Physical Review Letters Band 13 1964 S 138 140 Weblinks BearbeitenBrigitte Rothlein Spiegelverkehrte Welt In Wissenschaft de 1 Dezember 1999 abgerufen im 1 Januar 1 Flavour Physik und CP Verletzung Universitat Karlsruhe 29 Januar 2003 abgerufen im 1 Januar 1 Hendrik van Hees Die neutralen K Mesonen und CP Verletzung Universitat Bielefeld 17 Juli 2003 abgerufen im 1 Januar 1 CERN LHCb sees a new flavour of matter antimatter asymmetry Press Release vom 21 Marz 2019 Dazu Robert Gast Neues Puzzlestuck im Antimaterie Ratsel auf Spektrum de vom 21 Marz 2019Einzelnachweise Bearbeiten BaBar makes first direct measurement of time reversal violation 21 November 2012 abgerufen am 18 Dezember 2017 A Alavi Harati u a KTEV Observation of Direct CP Violation in KS L p p Decays In Phys Rev Lett 83 22 1999 V Fanti u a NA48 A new measurement of direct CP violation in two pion decays of the neutral kaon In Phys Lett B 465 335 1999 Theresa Harrison NA31 48 the pursuit of direct CP violation In CERN Courier com 23 Juli 2014 G D Barr u a NA31 A new measurement of direct CP violation in the neutral kaon system In Phys Lett B 317 233 1993 B Aubert u a BABAR Direct CP Violating Asymmetry in B0 K p Decays In Phys Rev Lett 93 131801 2004 L Wolfenstein Violation of CP Invariance and the Possibility of Very Weak Interactions In Phys Rev Lett 13 562 1964 B Aubert u a BABAR Observation of CP violation in the B0 meson system In Phys Rev Lett 87 091801 2001 K Abe u a Belle Observation of Large CP Violation in the Neutral B Meson System In Phys Rev Lett 87 091802 2001 Belle II detector rolled in In belle2 jp 26 Juni 2017 abgerufen am 7 November 2017 U Bern CP Symmetrie fur Neutrinos verletzt 11 August 2017 abgerufen am 4 Februar 2018 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title CP Verletzung amp oldid 237204504