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实验看到了时间箭头– at last!

01 Dec 1998

物理的古典法律不能区分过去和未来,但现在核心的实验已经证实了中性卡尔斯的时间反转对称。

 

日常经历告诉我们,无论科幻作家和电影导演告诉我们什么,都无法及时向后旅行。然而,这种看似自然的不可能性实际上是物理学中最伟大的奥秘之一。目前,大多数物理学家将时间的不可逆性与温暖的宏观世界的熵产生联系起来。这种不可逆转性的一个结果– often called the “arrow of time” in thermodynamics –是老化过程。在纯粹的条件下,由于在一个期间发生的不可逆的物理过程,一个人变老了’生活。然而,伽利略,牛顿和爱因斯坦发现的物理学的基本古典定律在未来和过去之间没有区别。换句话说,它们似乎及时对称。

人们可能天真地期望时间的热力学箭头在基本粒子的冷微观中不存在,大多数物理学家认为是封闭的量子机械系统。然而,这与说在基本粒子的水平下保持时间反转对称性的说法不同。相反,有一个不同的“arrow of time”这表明本身就是在转变为反物质的物质过程之间没有对称性的情况下,反之亦然。

这个时间箭头是基本粒子物理学中的伟大奥秘之一。目前尚不清楚粒子衰变中看到的时间箭头是否与任何类型有关“ageing”粒子的方法。因此,了解时间逆转对称性的性质及其违规,在难以解决的时间内完全了解时间概念。

大多数物理学家认为违反时间逆转对称性与物质与反物质之间的对称性相关联。在数学上,通过基本的定理表达了后一种对称性,指出,在地方的假设下(即,该交互是在时空中的本地),Lorentz Invariance(物理法在所有参考帧中相同)和统一性(所有概率)总是加上一个),所有已知的量子场理论在CPT的组合操作下具有对称性:C表示电荷共轭,其将每种颗粒的量子数变化到其抗披面物中的量子数; P是称为奇偶校验的反射操作,其将物体转换为其镜像,并围绕垂直于镜子的轴旋转180°;而t表示时间逆转。因此,假设始终保留CPT对称性,任何违反时间反转对称性的行为应始终伴随着CP对称性的违规,反之亦然。

电动力学和强互动的定律保持CP对称性到极高的准确性。然而,已知弱相互作用不保留CP对称性。这是由Christenson,Cronin,Fitch和Turray在1964年通过Christenson,Cronin,Fitch和Turray进行了确认的,当它们稀有(1-500)腐败的长寿命衰减成对的一对。中性kaon系统仍然是唯一的系统,其中CP违规已经通过实验验证。虽然这种结果意味着也应该违反时间反转对称性,但最重要的是直接证明T违规是非常重要的,因为这种实验可以让我们测试CPT定理本身,因此在熵产生问题上阐明了闪光粒子系统。

现在,欧洲粒子物理实验室在日内瓦CERN的CPLEAR协作,现在提供了这种独立的T违规的测量。该测试基本上相当于中性KaOn转化为其抗纤维,抗缀的概率的比较,反之亦然。中性kaon是下夸克的绑定状态和反奇怪的夸克,并且具有-1的奇异量子数;其抗纤维素具有+1的奇异量子数。已知薄弱的相互作用不忍受陌生,因此凯可以随着时间的推移转变为抗凤凰,反之亦然。

在瑞士巴塞尔大学Panagiotis Pavlopoulos领导的CPLIOS实验中,中立的kons是通过氢原子中的质子的强菌体碰撞的强烈相互作用而产生的:

Antiproton +质子–> kaon pion+k0
或antiproton + proton–> kaon+ pion antikaon0

中性koon的陌生性–也就是说,无论是kaon还是抗缀 - 在生产时可以“tagged”通过在碰撞中产生的第二个凯森。在衰减时,Kaon的奇怪可以通过其腐烂产品来标记:Kaon颗粒衰变成正电子,负极π和中微子,而抗缀颗粒腐蚀到电子,正π和抗中性粒子中。 (这些衰减被称为半智能,因为一些产品是Leptons,有些产品是强子。)如果存在不对称, AT,在初始抗缀的数量衰减到正数和初始kaon衰减的初始kaon衰减的数量之间,然后,在当前数据支持的某些假设下,这是违反所描述的意义上的时间反转对称的量度以上。

在自1995年以来一系列会议上的一系列初步公告之后,CPLEAR协作现已报告了A的最终结果T = (6.6 ± 1.3统计 ± 1.0SYST.) X 10-3 (Angelopoulos. . 1998 物理字母B. 在按下)。结果明确地展示了中性衰减的时间不变性的偏离。

在CPLEAR实验的实验准确性内,发现T违规的量等于中性 - KAON系统中观察到的CP违规量,从而提供了对此CPT定理的有效性的非琐碎的一致性检查准确程度。

基于CP违规幅度的现象学分析,在1970年在CENENG中分析了在1970年的衰减中使用了关于衰减的腐烂的长寿的数据,以将长期和短暂的卡尔衰减成两个中性的关节(K r Schubert . 1970 物理。 let. B31 658; 662)。这分析假设统一性:换句话说,据认为,那些消失的卡尔已经腐烂到可观察状态。 CPLEAR实验不依赖于这种假设,最重要的是,结果是第一次直接观察T违规。

随后通过了中性kaon系统中的违反时间逆转对称性的行动 ktev在fermilab实验 在美国。由芝加哥大学布鲁斯温斯坦领导的KTEV协作已经报告了一个实验的初步结果 稀有的 events, the 1-in-107 将单个kon的衰减蒸馏成电子和圆点。在这种过程中,违规违规以微妙的方式表现出来。由于改变时间方向也逆转粒子的动量方向,KTEV团队通过比较一些衰变的速率与其他衰减的速率进行比较,以便在其中出现的其他衰变的速度来检测T对称性“time-reversed” direction.

CPLEAR和KTEV协作表明其观察到T违规是什么,与反向过程相比,物质转化为反物质的变化是不对称的。这可能对我们对宇宙的理解感到深远的影响。例如,尽管有人认为,但是,它可能有助于解释为什么宇宙是由物质而非反物质制造的,这是认为两者都在大爆炸中创造了相同的数量。然而,发现违反时间逆转对称性的信息并不告诉我们熵在微观媒体中产生。简单来说,这些实验没有回答这个问题:卡尔变老了吗?

所有迹象目前都指向中性kaon系统的CPT定理的有效性。但是,如果卡尔变老,这将构成CPT定理未涵盖的自然内的新基本互动的证据。这种相互作用的自然候选者是引力。实际上,在高度弯曲的空间中,已知CPT定理至少在其原始配方中失败。中性kaon系统对这些效果表现出极大的敏感性–实际上,CPLEAR实验在这些效果上置于严格的界限,这些效果靠近引力相互作用的幅度(RAdler . 1995 物理。 let. B364 239).

在不久的将来,应尽可能实现基本对称的其他测试。在意大利弗拉斯卡蒂国家实验室的Dafne Colleries将通过测量衰变提供CP和CPT违规的进一步精确测试 f - MESONS(奇怪和反奇怪夸克的约束州)。 CERN的广告项目将在反原子中测试CPT。在CERN的NA48实验中,在核心的NA48实验中可以进行许多测试,CP和CPT违规的测试是可能的“B-factories”在美国的斯坦福线性加速器中心和日本的Kek实验室,最终在Cern的大型特罗龙撞机。

这些实验预计将在粒子物理标准模型中的离散对称性的显微阶段阐明更多的光线,也许是对时空和重力的性质解决基本问题。

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