imported>FranzR (→Verknüpfung mit dem Standardmodell: Super-KEKB aktualisiert u. a.) |
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Unter '''CP-Verletzung''' (C | Unter '''CP-Verletzung''' ('''C''' für {{enS|charge}} ‚[[Elektrische Ladung|Ladung]]‘ bzw. {{lang|en|''charge conjugation''}} ‚[[Ladungskonjugation]]‘; '''P''' für {{lang|en|''parity''}} ‚[[Parität (Physik)|Parität]]‘) versteht man die Verletzung der '''CP-Invarianz.''' Letztere besagt, dass sich die physikalischen Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten in einem System nicht ändern sollten, wenn alle Teilchen durch ihre [[Antiteilchen]] ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten [[Punktspiegelung|gespiegelt]] werden. | ||
== Entdeckung und Vorgeschichte == | == Entdeckung und Vorgeschichte == | ||
=== Scheinbare P-Invarianz und Paritätsverletzung === | === Scheinbare P-Invarianz und Paritätsverletzung === | ||
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). | 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 [[Betastrahlung|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 Links[[Chiralität (Physik)|händigkeit]] ( | Schon 1956 postulierten [[Tsung-Dao Lee]] und [[Chen Ning Yang]] allerdings, dass die [[schwache Wechselwirkung]], der der [[Betastrahlung|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 Links[[Chiralität (Physik)|händigkeit]] (also die Drehrichtung des [[Spin]]s von [[Elementarteilchen]] bezüglich der Flugrichtung wie bei einer Linksschraube) gegenüber der Rechtshändigkeit. Nur linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen nehmen an ihr teil. An der [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen]] und der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] nehmen links- und rechtshändige Teilchen mit gleicher Stärke teil. | ||
Die Paritätsverletzung lässt sich gut an [[Neutrino]]s 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. | Die Paritätsverletzung lässt sich gut an [[Neutrino]]s 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. | ||
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=== Entdeckung der CP-Verletzung === | === Entdeckung der CP-Verletzung === | ||
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-[[Meson]]en ([[Kaon]]en), die auf eine Verletzung auch der kombinierten CP-[[Symmetrie (Physik)|Symmetrie]] schließen ließ. Bei der Untersuchung der Zerfälle von <math>K_L^0</math>-Mesonen (das L steht für long-lived) in einem Experiment am [[Alternating Gradient Synchrotron]] des [[Brookhaven National Laboratory]] wurden mit einer Rate von etwa | 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-[[Meson]]en ([[Kaon]]en), die auf eine Verletzung auch der kombinierten CP-[[Symmetrie (Physik)|Symmetrie]] schließen ließ. Bei der Untersuchung der Zerfälle von <math>K_L^0</math>-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 <math>K_L^0</math>-Mesons in zwei geladene <math>\pi</math>-Mesonen ([[Pion]]en) beobachtet. | ||
Durch die Mischung im System der neutralen Kaonen, d. | Durch die Mischung im System der neutralen Kaonen, d. h., ein <math>K^0</math> (<math>\bar{K}^0</math>) kann in sein Antiteilchen <math>\bar{K}^0</math> (<math>K^0</math>) 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 <math>K_S^0</math> <math>(\tau(K_S^0)\approx 0{,}9\cdot 10^{-10}\,\mathrm{s})</math> und dem langlebigen <math>K_L^0</math> <math>(\tau(K_L^0)\approx 5{,}1\cdot 10^{-8}\,\mathrm{s})</math>, deren Lebensdauern sich ungefähr um einen Faktor 600 unterscheiden. | ||
<math>K^0</math> (<math>\bar{K}^0</math>) 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: <math>CP|\pi\pi\rangle = +|\pi\pi\rangle</math> und <math>CP|\pi\pi\pi\rangle=-|\pi\pi\pi\rangle</math>. | <math>K^0</math> (<math>\bar{K}^0</math>) 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: <math>CP|\pi\pi\rangle = +|\pi\pi\rangle</math> und <math>CP|\pi\pi\pi\rangle=-|\pi\pi\pi\rangle</math>. | ||
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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 <math>K_L^0\rightarrow\pi\pi</math> oder <math>K_S^0\rightarrow\pi\pi\pi</math> können nur auftreten, wenn die CP-Symmetrie verletzt ist. Im Experiment werden zunächst neutrale Kaonen erzeugt, die eine [[Superposition (Physik)|Superposition]] aus <math>K_S^0</math> und <math>K_L^0</math>-Mesonen bilden. Aufgrund des großen Lebensdauerunterschiedes verschwindet nach einiger Zeit der <math>K_S^0</math>-Anteil, und es verbleiben nur noch <math>K_L^0</math>-Mesonen. Um dies zu erreichen, wurden die Kaonen in einigem Abstand vom Detektor erzeugt, sodass aufgrund der benötigten Flugzeit nur noch <math>K_L^0</math> in den Detektor gelangen und dort zerfallen konnten. Die Beobachtung des Zerfalls <math>K_L^0\rightarrow\pi^+\pi^-</math> stellte damit den erstmaligen Nachweis der CP-Verletzung dar. | 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 <math>K_L^0\rightarrow\pi\pi</math> oder <math>K_S^0\rightarrow\pi\pi\pi</math> können nur auftreten, wenn die CP-Symmetrie verletzt ist. Im Experiment werden zunächst neutrale Kaonen erzeugt, die eine [[Superposition (Physik)|Superposition]] aus <math>K_S^0</math> und <math>K_L^0</math>-Mesonen bilden. Aufgrund des großen Lebensdauerunterschiedes verschwindet nach einiger Zeit der <math>K_S^0</math>-Anteil, und es verbleiben nur noch <math>K_L^0</math>-Mesonen. Um dies zu erreichen, wurden die Kaonen in einigem Abstand vom Detektor erzeugt, sodass aufgrund der benötigten Flugzeit nur noch <math>K_L^0</math> in den Detektor gelangen und dort zerfallen konnten. Die Beobachtung des Zerfalls <math>K_L^0\rightarrow\pi^+\pi^-</math> 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 <math>K_S^0</math> ähnliche Lebensdauern aufweisen. Geladene Kaonen sind aber deutlich langlebiger <math>(\tau(K^\pm)\approx 1,2\cdot 10^{-8}\,\mathrm{s})</math>. Ganz augenscheinlich ist die partielle Zerfallsbreite für <math>K_S^0\rightarrow\pi\pi</math> um ein Vielfaches größer als für <math>K^\pm\rightarrow\pi\pi</math>. 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]] <math>I=2</math> haben, wohingegen beim <math>K_S^0</math>-Zerfall die Endzustände mit Isospin <math>I=0</math> und <math>I=2</math> möglich sind. Da die schwache Wechselwirkung in Kaon-Zerfällen den Endzustand mit Isospin <math>I=0</math> deutlich bevorzugt, ist der 2-Pion-Zerfall bei den neutralen Kaonen so dominant. Die Tatsache aber, dass in <math>K_S^0</math>-Zerfällen auch Endzustände mit einem Isospin <math>I=2</math> erreicht werden können, ist von Bedeutung in Hinblick auf direkte CP-Verletzung, d. | 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 <math>K_S^0</math> ähnliche Lebensdauern aufweisen. Geladene Kaonen sind aber deutlich langlebiger <math>(\tau(K^\pm)\approx 1{,}2\cdot 10^{-8}\,\mathrm{s})</math>. Ganz augenscheinlich ist die partielle Zerfallsbreite für <math>K_S^0\rightarrow\pi\pi</math> um ein Vielfaches größer als für <math>K^\pm\rightarrow\pi\pi</math>. 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]] <math>I=2</math> haben, wohingegen beim <math>K_S^0</math>-Zerfall die Endzustände mit Isospin <math>I=0</math> und <math>I=2</math> möglich sind. Da die schwache Wechselwirkung in Kaon-Zerfällen den Endzustand mit Isospin <math>I=0</math> deutlich bevorzugt, ist der 2-Pion-Zerfall bei den neutralen Kaonen so dominant. Die Tatsache aber, dass in <math>K_S^0</math>-Zerfällen auch Endzustände mit einem Isospin <math>I=2</math> 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 <math>K^0</math> nicht mit gleicher Stärke in ein <math>\bar{K}^0</math> wie ein <math>\bar{K}^0</math> in ein <math>K^0</math> übergeht, d. | Die von Christenson, Cronin, Fitch und Turlay beobachtete CP-Verletzung hat ihren Ursprung im Wesentlichen in einer CP-Verletzung in der Mischung. Wenn ein <math>K^0</math> nicht mit gleicher Stärke in ein <math>\bar{K}^0</math> wie ein <math>\bar{K}^0</math> in ein <math>K^0</math> übergeht, d. h. <math>\Gamma(K^0\rightarrow\bar{K}^0) \neq \Gamma(\bar{K}^0\rightarrow K^0)</math>, dann bestehen die Masseneigenzustände nicht mehr zu gleichen Teilen aus <math>K^0</math> und <math>\bar{K}^0</math>, wodurch sie nicht mehr CP-Eigenzustände sein können. Direkte CP-Verletzung kann aber auch dazu führen, dass <math>K_L^0</math> in 2 Pionen zerfallen, wenn <math>K^0</math> und <math>\bar{K}^0</math> mit unterschiedlicher Stärke in 2 Pionen zerfallen. Offensichtlich lässt sich nur durch eine Messung der Zerfallsrate <math>K_L^0\rightarrow\pi\pi</math> 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 | ||
*<math>K_L^0\rightarrow\pi^+\pi^-</math> | |||
*<math>K_L^0\rightarrow\pi^0\pi^0</math> | |||
*<math>K_S^0\rightarrow\pi^+\pi^-</math> | |||
*<math>K_S^0\rightarrow\pi^0\pi^0</math> | |||
mit Präzision vermessen wurden. | mit Präzision vermessen wurden. | ||
=== Erhaltung der CPT-Invarianz === | |||
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, <math>i\rightarrow -i</math>). Diese [[CPT-Theorem|CPT-Invarianz]] zusammen mit CP-Verletzung bedeutet eine Verletzung der Zeitsymmetrie ([[T-Verletzung #Quantenphysik|T-Verletzung]]). Dies konnte experimentell bestätigt werden.<ref>{{Internetquelle |url=http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/21/babar-makes-first-direct-measurement-of-time-reversal-violation |titel=BaBar makes first direct measurement of time-reversal violation |datum=2012-11-21 |zugriff=2017-12-18}}</ref> | |||
== Verknüpfung mit dem Standardmodell == | == Verknüpfung mit dem Standardmodell == | ||
Im [[Standardmodell]] der Teilchenphysik ist die Ursache der CP-Verletzung auf dem [[Quark (Physik)|Quark]]-Sektor mit der Erzeugung der Quark-Massen verknüpft. Quarks erhalten ihre Masse durch Kopplung an das [[Higgs-Mechanismus|Higgs-Feld]], wobei zwingend eine Massen-Mischungsmatrix auftritt, die nach den Physikern [[Nicola Cabibbo]], [[Makoto Kobayashi (Physiker)|Makoto Kobayashi]] und [[Toshihide Masukawa | Im [[Standardmodell]] der Teilchenphysik ist die Ursache der CP-Verletzung auf dem [[Quark (Physik)|Quark]]-Sektor mit der Erzeugung der Quark-Massen verknüpft. Quarks erhalten ihre Masse durch Kopplung an das [[Higgs-Mechanismus|Higgs-Feld]], wobei zwingend eine Massen-Mischungsmatrix auftritt, die nach den Physikern [[Nicola Cabibbo]], [[Makoto Kobayashi (Physiker)|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 [[Unitäre Matrix|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 (Physik)|Interferenz]] kommt. Drei Typen der CP-Verletzung sind bekannt: | ||
: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 zurück, die invariant unter der CP-Operation sind. Daher spricht man in diesem Zusammenhang auch von starken Phasen. | ; CP-Verletzung in der Teilchen-Antiteilchen-Mischung, auch als indirekte CP-Verletzung bekannt | ||
:Neutrale [[Kaon]]en, [[D-Meson]]en und [[B-Meson]]en können mit ihren Antiteilchen mischen, d. h., sie können ineinander übergehen („oszillieren“), z. B. <math>B^0\rightarrow\bar{B}^0</math> und <math>\bar{B}^0\rightarrow B^0</math> (<math>B^0 \bar{B}^0</math>-Oszillationen). CP-Verletzung in der Mischung tritt dann auf, wenn z. B. die Rate <math>\Gamma(K^0\rightarrow\bar{K}^0)</math> verschieden ist von <math>\Gamma(\bar{K}^0\rightarrow K^0)</math>. Die im Jahr 1964 im System der neutralen Kaonen beobachtete CP-Verletzung kann im Wesentlichen darauf zurückgeführt werden. | |||
; CP-Verletzung im Zerfall, auch als direkte CP-Verletzung bekannt | |||
:Direkte CP-Verletzung liegt vor, wenn die partielle Zerfallsbreite für den Zerfall eines Teilchens <math>T</math> in einen Endzustand <math>E</math> <math>(\Gamma(T\rightarrow E))</math> verschieden ist von der seines Antiteilchens, d. h. <math>\Gamma(T\rightarrow E)\neq \Gamma(\bar{T}\rightarrow \bar{E})</math>. Direkte CP-Verletzung im Kaon-System wurde 1999 mit den Experimenten [[KTEV]] am [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]] und [[NA48]] (dem Nachfolger von [[NA31]]) am [[CERN]] erstmals beobachtet.<ref>A. Alavi-Harati u. a. (KTEV): ''Observation of Direct CP Violation in K<sub>S,L</sub>→π π Decays.'' In: ''Phys. Rev. Lett.'' 83, 22 (1999).</ref><ref>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).</ref> Sie bestätigten eine Messung des NA31-Experiments am CERN ab dem Jahr 1988 (Veröffentlichung 1993), die aber als Drei-Sigma-Ereignis statistisch nicht ausreichend signifikant war, um als zweifelsfreie Beobachtung zu gelten.<ref>Theresa Harrison: ''[http://cerncourier.com/cws/article/cern/57857 NA31/48: the pursuit of direct CP violation.]'' In: ''CERN.Courier.com.'' 23. Juli 2014.</ref><ref>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).</ref> Im B-Meson-System wurde die direkte CP-Verletzung erstmals im Jahr 2004 durch das [[BaBar-Experiment]] am [[Stanford Linear Accelerator Center|SLAC]] gefunden.<ref>B. Aubert u. a. (BABAR): ''Direct CP Violating Asymmetry in B<sup>0</sup>→ K<sup>+</sup>π<sup>−</sup> Decays.'' In: ''Phys. Rev. Lett.'' 93, 131801 (2004).</ref><br/><!-- | |||
-->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 zurück, die invariant unter der CP-Operation sind. Daher spricht man in diesem Zusammenhang auch von starken Phasen.<br/><!-- | |||
-->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,<ref>L. Wolfenstein: ''Violation of CP Invariance and the Possibility of Very Weak Interactions.'' In: ''Phys. Rev. Lett.'' 13, 562 (1964).</ref> 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 dazugehörige Antiteilchen in den gleichen Endzustand zerfallen können. Ein derartiges Teilchen unterliegt damit der Teilchen-Antiteilchen-Mischung, sodass der Endzustand direkt oder über den Umweg der Umwandlung in das Antiteilchen und dessen Zerfall erreicht werden kann. Im Kaon-System ist das Phänomen gut bekannt; im B-Meson-System ermöglicht die Untersuchung einen sensitiven Test des Standardmodells zur Herkunft der CP-Verletzung. Aufgrund der Struktur der CKM-Matrix müsste die CP-Verletzung bei Übergängen zwischen Quarks der dritten ([[Quark (Physik)#Bottom-Quark|Bottom-]] und [[Top-Quark]]) und der ersten Generation ([[Quark (Physik)#Flavours|Down-]] und [[Quark (Physik)#Flavours|Up-Quark]]) am ausgeprägtesten sein. [[B-Meson]]en, die neben einem leichten auch das schwere [[Quark (Physik)#Bottom-Quark|Bottom-Quark]] enthalten, sind daher die idealen Prüfkandidaten für den Test der Theorie. Sie besitzen ungefähr die fünffache Protonenmasse und haben eine [[Lebensdauer (Physik)|Lebensdauer]] von etwa <math>1{,}5\cdot 10^{-12}\,\mathrm{s}.</math> In <math>B^0</math>-Meson-Zerfällen in ein [[J/ψ-Meson|<math>J/\psi</math>]]-Meson und ein neutrales [[Kaon]], <math>B^0\rightarrow J/\psi K_S^0</math>, konnte diese Art der CP-Verletzung erstmals für B-Mesonen durch das [[BaBar-Experiment]] und durch das [[Belle-Experiment]] beobachtet werden.<ref>B. Aubert u. a. (BABAR): ''Observation of CP violation in the B<sup>0</sup> meson system.'' In: ''Phys. Rev. Lett.'' 87, 091801, (2001).</ref><ref>K. Abe u. a. (Belle): ''Observation of Large CP Violation in the Neutral B Meson System.'' In: ''Phys. Rev. Lett.'' 87, 091802 (2001).</ref> Sie ist mittlerweile mit großer Präzision bekannt und ist in ausgezeichneter Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Standardmodells. Nach dieser Bestätigung der Vorhersage von Kobayashi und Maskawa wurde beiden im Jahr 2008 der [[Nobelpreis für Physik]] verliehen. | |||
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 <math>B_s^0</math>-Mesonen derartige Perspektiven. Präzisionsmessungen zur CP-Verletzung im System der B- und B<sub>s</sub>-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 (Forschungszentrum)|KEK]], an dem der Nachfolger des Belle-Experiments, Belle II, voraussichtlich 2019 die Datennahme aufnehmen wird.<ref>{{Internetquelle |url=http://belle2.jp/2017/06/26/belle-ii-detector-rolled-in/ |titel=Belle II detector rolled-in |werk=belle2.jp |datum=2017-06-26 |zugriff=2017-11-07}}</ref> | |||
Im Prinzip sollte auch in der starken Wechselwirkung CP-Verletzung möglich sein, die z. B. zu einem relativ großen [[Elektrisches Dipolmoment des Neutrons|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 [[Neutrinooszillation]]en und der damit verbundenen Erkenntnis, dass [[Neutrino]]s 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).<ref>U. Bern: ''[http://www.pro-physik.de/details/news/10605977/CP-Symmetrie_fuer_Neutrinos_verletzt.html CP-Symmetrie für Neutrinos verletzt.]'' 11. August 2017, abgerufen am 4. Februar 2018.</ref> | |||
== Kosmologische Notwendigkeit == | |||
== Kosmologische Notwendigkeit | |||
[[Andrei Dmitrijewitsch Sacharow|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. | [[Andrei Dmitrijewitsch Sacharow|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. | ||
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* [[Makoto Kobayashi (Physiker)|Makoto Kobayashi]], [[Toshihide Masukawa|Toshihide Maskawa]]: ''CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction.'' In: ''Progress of Theoretical Physics'' Band 49, 1973, S. 652–657. | * [[Makoto Kobayashi (Physiker)|Makoto Kobayashi]], [[Toshihide Masukawa|Toshihide Maskawa]]: ''CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction.'' In: ''Progress of Theoretical Physics'' Band 49, 1973, S. 652–657. | ||
* [[Andrei Dmitrijewitsch Sacharow|A. D. Sakharov]]: ''Violation of CP Invariance, c Asymmetry, and Baryon Asymmetry of the Universe.'' In: ''JETP Letters.'' Band 5, 1967, S. 24–27. | * [[Andrei Dmitrijewitsch Sacharow|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, [[James Cronin|J. W. Cronin]], [[Val Fitch|V. L. Fitch]], R. Turlay: ''Evidence for the 2π Decay of the K<sub>2</sub><sup>0</sup> Meson.'' In: ''Physical Review Letters.'' Band 13, 1964, S. 138–140. | * [[James H. Christenson|J. H. Christenson]], [[James Cronin|J. W. Cronin]], [[Val Fitch|V. L. Fitch]], [[René Turlay|R. Turlay]]: ''Evidence for the 2π Decay of the K<sub>2</sub><sup>0</sup> Meson.'' In: ''Physical Review Letters.'' Band 13, 1964, S. 138–140. | ||
*Marco Sozzi: ''Discrete Symmetries and CP-Violation: From Experiment to Theory'', Oxford UP 2008 | |||
== Weblinks == | == Weblinks == | ||
* {{cite web |author=Brigitte Röthlein |title=Spiegelverkehrte Welt |date= | * {{cite web |author=Brigitte Röthlein |title=Spiegelverkehrte Welt |date=1999-12-01 | work=Wissenschaft.de |url=https://www.wissenschaft.de/technik-digitales/spiegelverkehrte-welt/ <!--|accessdate=8. September 2019-->}} | ||
* {{cite web |title=Flavour Physik und CP-Verletzung |publisher=Universität Karlsruhe | * {{cite web |title=Flavour Physik und CP-Verletzung |publisher=Universität Karlsruhe |date=2003-01-29 |url=http://www-ttp.particle.uni-karlsruhe.de/~gkweb/dokuwiki/doku.php?id=de:research:flavour#flavour_physik_und_cp-verletzung <!--|accessdate=6. Juli 2012-->}} | ||
* {{cite web |author=Hendrik van Hees |title=Die neutralen K-Mesonen und CP-Verletzung|publisher=Universität Bielefeld |date=17 | * {{cite web |author=Hendrik van Hees |title=Die neutralen K-Mesonen und CP-Verletzung|publisher=Universität Bielefeld |date=2003-07-17 |url=http://theory.gsi.de/~vanhees/faq/cp/cp.html <!--|accessdate=27. November 2008-->}} | ||
* {{cite web |author=Particle Data Group |title=The Review of Particle Physics |url=http://pdg.lbl.gov/ |accessdate=17. Januar 2013}} | * {{cite web |author=Particle Data Group |title=The Review of Particle Physics |url=http://pdg.lbl.gov/ <!--|accessdate=17. Januar 2013-->}} | ||
* {{cite web |title=KTEV: Kaons at the Tevatron |url=http://ktev.fnal.gov/public/ktev.html |accessdate=12. Oktober 2016}} | * {{cite web |title=KTEV: Kaons at the Tevatron |url=http://ktev.fnal.gov/public/ktev.html <!--|accessdate=12. Oktober 2016-->}} | ||
* [[CERN]]: [https://home.cern/news/press-release/physics/lhcb-sees-new-flavour-matter-antimatter-asymmetry LHCb sees a new flavour of matter–antimatter asymmetry ], Press Release vom 21. März 2019.<br />Dazu: Robert Gast: [https://www.spektrum.de/news/neues-puzzlestueck-im-antimaterie-raetsel/1633710 Neues Puzzlestück im Antimaterie-Rätsel], auf: Spektrum.de vom 21. März 2019 | |||
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Unter CP-Verletzung (C für englisch charge ‚Ladung‘ bzw. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) ‚Ladungskonjugation‘; P für {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) ‚Parität‘) versteht man die Verletzung der CP-Invarianz. Letztere besagt, dass sich die physikalischen Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten in einem System nicht ändern sollten, wenn alle Teilchen durch ihre Antiteilchen ersetzt und gleichzeitig alle Raumkoordinaten gespiegelt werden.
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.
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.
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).
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
Durch die Mischung im System der neutralen Kaonen, d. h., ein
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
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
Die von Christenson, Cronin, Fitch und Turlay beobachtete CP-Verletzung hat ihren Ursprung im Wesentlichen in einer CP-Verletzung in der Mischung. Wenn ein
mit Präzision vermessen wurden.
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,
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
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).[11]
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.