
假设要问当今物理学范畴中最大的未解问题,不同的物理学家会给出各种答复——粒子物理规范模型的级列问题、重子构成的问题、暗物质、暗能量、量子引力、世界的来源以及万有理论。
可是,近半个世纪以来,还有一个从未得到应有注重的未解问题——强CP问题,这是现代物理学中最被轻视的难题。大多数的物理难题需求逾越规范模型的新物理学理论,但强CP问题并不是这方面的问题,而是规范模型自身的问题。
粒子物理规范模型
粒子物理规范模型一致了三种底子自然力——电磁力、弱核力以及强核力,这套理论能够准确描绘组成世界的底子粒子以及它们之间的相互作用。常见的粒子包含传递电磁力的光子、传递弱核力的W及Z玻色子、传递强核力的胶子,还有组成原子核的夸克、电子等等。
夸克(与反夸克)总共有六种或者说六味,每一种都带有电荷和色荷。轻子(与反轻子)也有六种,其间三种带有电荷(电子、μ子和τ子),而别的三种不带电荷(中微子)。传递电磁相互作用的粒子只要光子一种,传递弱相互作用的粒子有三种规范玻色子(W+、W-和Z),传递强相互作用的粒子有八种胶子。
为何会有这么多粒子?这便是工作变得风趣的当地。在传统的数学方法中,一切的操作都是咱们所说的可交流。简略地说,可交流的意思是不论以什么次序做运算,成果都是相同的,例如,1+2等于2+1,2×3等于3×2。
可是,其他工作是不行交流的。举个比如,把手机屏幕正对着你的脸,然后试着做以下两件事:
(1)先沿着垂直于人脸的轴逆时针旋转屏幕90度,然后沿着垂直于地上的轴顺时针旋转90度,此刻屏幕朝向左边。
(2)重新开始,相同做两个相同的旋转,但次序互换一下:先沿着垂直于地上的轴顺时针旋转屏幕90度,此刻屏幕朝左。然后,沿着垂直于人脸的轴逆时针旋转90度,此刻屏幕朝下。
相同的两个旋转,但次序相反,导致了彻底不同的成果。
阿贝尔理论
当涉及到规范模型时,物理学家所运用的规矩在数学上要比加法、乘法乃至旋转更杂乱一些,可是概念是相同的。物理学家评论的不是一组运算是可交流的仍是不行交流的,而是描绘这些相互作用的群是阿贝尔的仍对错阿贝尔的,这是以数学家尼尔斯·阿贝尔命名的数学群论概念。
在规范模型中,电磁力是阿贝尔的,而强弱核力都对错阿贝尔的。阿贝尔和非阿贝尔的差异不是加法、乘法或旋转,而是以对称性的方式表现出来。阿贝尔理论应该有以下对称的相互作用:
C电荷共轭,用反粒子替代粒子;
P宇称,用镜像粒子替代一切的粒子;
T时刻反演,物理规则在时刻向前和向后消逝的情况下坚持不变。
可是,非阿贝尔理论则应表现出差异性。
强CP问题
关于电磁相互作用,C、P和T都是各自守恒的,其任何组合——CP、PT、CT和CPT,也都是守恒的。关于弱相互作用,C、P和T别离被发现呈现破缺,两两组合——CP、PT和CT,也都呈现破缺,但三个组合CPT是守恒的。
这样就会呈现一些显着的反常问题。在规范模型中,某些相互作用是制止的,而有些是答应的。关于电磁相互作用,C、P和T的独自对称破缺都是制止的。关于弱相互作用和强相互作用,CPT一起呈现破缺是制止的。尽管在弱相互作用和强相互作用中都答应呈现CP对称破缺,但这种现象只在弱相互作用中呈现过。尽管CP对称破缺答应存在于强相互作用中,但至今没有被发现这种现象,这便是强CP问题。
假设没有一条守恒定律制止相互作用的发作,那么,这种相互作用发作的概率便是有限的,非零的。
在弱相互作用中,CP对称破缺发作的概率为1000分之一。但在强相互作用中,至今依然没有发现CP对称破缺。假设对称破缺在强相互作用中真的存在,它被按捺了超越10亿倍。为什么在强相互作用中,粒子的衰变与镜像反粒子的衰变彻底一致?为什么中子没有电偶极矩?
强CP问题的处理
在1977年,物理学家提出了一种新的对称性,它在强相互作用中会按捺CP对称破缺,并预言了一种新粒子的存在:轴子。理论上,轴子十分轻,没有电荷,而且数量应该十分丰富。事实上,轴子是一个完美的暗物质候选粒子。物理学家认识到,假设轴子存在,它们能够在地球试验室中探测到。但惋惜的是,现在还没有发现轴子的存在。
强CP问题的处理办法或许并不在于一种新对称性,轴子或许底子不存在于世界中。在物理学中,咱们发现的任何现象都有无数种或许的回答。只要经过试验和观测,咱们才干找到适用于咱们世界的物理学理论。
在理论物理学的各个前沿范畴,都有许多严重疑团等候处理。咱们不知道暗物质和暗能量是由什么组成的,咱们不知道前期世界中的正物质是怎么超越反物质的。但强CP问题不同于那些前沿问题,这是一个难解之谜,并不是由于咱们观测到了某些不知道的东西,而是由于咱们观测到了某些东西的缺失。








