Η παραβίαση CP

Ελέγχοντας για την CP συμμετρία κάνουμε την παρακάτω φανταστική διαδικασία: Πρώτα παίρνουμε όλα τα σωματίδια και αντιστρέφουμε το φορτίο τους (ο όρος "C") από θετικό σε αρνητικό και αντίστροφα (για τα αντισωματίδια). Τότε αλλάζουμε στα σωματίδια την   αριστερόστροφη ιδιοπεριστροφή (σπιν) και την μετατρέπουμε σε δεξιόστροφο σπιν (ο όρος "P") και αντίστροφα. Αν τώρα τα νέα σωματίδια που θα προκύψουν  συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο τρόπο με τα παλιά, τότε οι νόμοι της Φυσικής είναι  αναλλοίωτοι στην CP μεταβολή.

Επειδή η CP διαδικασία αλλάζει κάθε σωματίδιο στο αντισωματίδιο του, η CP συμμετρία θα σημαίνει ότι οι φυσικοί νόμοι είναι ακριβώς ίδιοι για την ύλη και την αντιύλη. Ο J.Cronin, του Πανεπιστημίου του Chicago, και ο Val Fitch, του Πανεπιστημίου του Princeton, άλλαξαν τελείως την εικόνα που είχε ο κόσμος για την συμμετρία, όταν βρήκαν το 1964 πως τα καόνια μερικές φορές διασπώνται με τρόπο που παραβίαζε αυτό τον κανόνα.

Μέχρι τότε οι φυσικοί πίστευαν ότι σε όλα τα μικροσκοπικά φαινόμενα οι δύο κατευθύνσεις του χρόνου είναι απολύτως ισοδύναμες. Έτσι, έπεσε κεραυνός εν αιθρία όταν οι δύο τους ανακάλυψαν ότι κατά τη διάσπαση των Κ-μεσονίων, ακόμη και αυτή η συνδυασμένη συμμετρία CP έπαυε να ισχύει. Και μάλιστα αυτό συνεπάγεται συγχρόνως την παραβίαση, σε ορισμένες σπάνιες περιπτώσεις, και της αντιστροφής του χρόνου.

Σύμφωνα με κάποιο μαθηματικό θεώρημα κάθε θεωρία που υπακούει στους νόμους της κβαντικής μηχανικής και της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας πρέπει επίσης να υπακούει στην συνδυασμένη συμμετρία CPT.  Δηλαδή, το Σύμπαν πρέπει να εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο αν αντικαταστήσουμε τα σωματίδια με τα αντισωματίδια τους, πάρουμε το κατοπτρικό του Σύμπαν και αντιστρέψουμε τον χρόνο.

Οι Cronin και Fitch έδειξαν ότι αν κάνουμε τις δύο πρώτες αντιστροφές C και P κι όχι την αντιστροφή του χρόνου, το Σύμπαν δεν εξελίσσεται με τον ίδιο τρόπο. Η αντιστροφή του χρόνου πρέπει να αλλάζει κάποιους νόμους της Φύσης!. Ήταν γνωστό μέχρι τότε ότι το Σύμπαν υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία  CPT, (και του χρόνου δηλαδή), αλλά αφού δεν υπακούει στη συνδυασμένη συμμετρία CP, δεν πρέπει να υπακούει και στη συμμετρία Τ.

Η ουσία της ομοτιμίας του φορτίου (CP) είναι η έννοια της συμμετρίας. Και το C και το P  είναι συμμετρίες που διατηρούνται στις περισσότερες αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων. Το C αντιπροσωπεύει την αντικατάσταση των φορτίων όλων των υποατομικών σωματιδίων σε μια αλληλεπίδραση με τα αντισωμάτια τους. Το Ρ αντιστοιχεί στο κοίταγμα σε έναν καθρέφτη που αντιστρέφει και τις τρεις χωρικές συντεταγμένες.

Και ενώ στην αρχή οι φυσικοί νόμιζαν ότι και το C και το P διατηρούνται στις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων, το 1956 οι Lee και Yang έδειξαν ότι το P θα μπορούσε να παραβιαστεί σε ορισμένες αλληλεπιδράσεις. Εντούτοις, ο συνδυασμός του C και του P νόμιζαν πως διατηρείται - αλλά κι αυτό τελικά έχει δοκιμασθεί πως δεν ισχύει.

Η προβλεφθείσα CP-παραβίαση έδειξε ότι τα σωματίδια που αποκαλούνται μακρόβια  (long-lived) ουδέτερα καόνια διασπάστηκαν περιστασιακά σε δύο πιόνια, μια διαδικασία που παραβιάζει τη συμμετρία CP.

Δύο ομάδες φυσικών πήραν βραβείο Nobel για τις ανακαλύψεις τους στη συμμετρία. Το 1957 για την παραβίαση της P συμμετρίας οι Τ. D. Lee και C. Ν. Yang και το 1980 οι Cronin και Fitch για την παραβίαση της συμμετρίας CP στα Κ-μεσόνια. Οι θεωρητικοί φυσικοί Τ. D. Lee και C. Ν. Yang είχαν προτείνει το 1956 ότι η ομοτιμία δεν χρειάζεται να διατηρείται στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις διασπάσεων.

Αργότερα, δύο Ιάπωνες θεωρητικοί, ο Makoto Kobayashi και ο Toshihide Maskawa, έδειξαν πως το Καθιερωμένο Μοντέλο θα μπορούσε να τροποποιηθεί για να στεγάσει αυτό το αποτέλεσμα.

Δύο πειραματικές ομάδες βοήθησαν να δημιουργηθούν ζεύγη B μεσονίων και αντι-Β μεσονίων συγκρούοντας μαζί ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια, σε επιταχυντές σωματιδίων. Τα ηλεκτρόνια με τα ποζιτρόνια επιταχύνονται σε υψηλές ενέργειες σε ένα γραμμικό επιταχυντή και τότε μεταπηδούν σε ένα κυκλικό δακτύλιο, όπου περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και συντρίβονται μαζί. Αυτό γίνεται στο πείραμα BaBar  στο Κέντρο Επιταχυντή του Stanford.

Σε μια στροφή μέσα στην πειραματική διάταξη, τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια ρίχνονται με ελαφρά διαφορετικές ενέργειες ώστε τα B μεσόνια, όταν δημιουργηθούν, να κινούνται σταθερά σε μια κατεύθυνση με περίπου τη μισή ταχύτητα του φωτός αντί να παραμένουν ακίνητα. Η κίνηση αυτή γίνεται με ένα έξυπνο τρόπο για να καθυστερήσουν το μεσόνιο, και τότε το αντισωματίδιο του να  διασπαστεί σε μια δέσμη σωματιδίων. Επιτρέποντας έτσι στους αναλυτές να ανιχνεύσουν αυτόν τον πίδακα των ιχνών των σωματιδίων, οι υψηλής ανάλυσης ανιχνευτές -- που ονομάστηκαν Belle και BaBar -- εντοπίζουν το σημείο στο οποίο οι διασπάσεις λαμβάνουν μέρος.

Αφότου τα Β μεσόνια κινούνται, η απόσταση που έχουν ταξιδεύσει δίνει ένα μέτρο του χρόνου μέσα στον οποίο γίνονται οι διασπάσεις. Συγκρίνοντας τον χρόνο λεπτομερώς, που εξαρτάται από τις διασπάσεις των Β και των αντι-Β μεσονίων, οι φυσικοί μπορούν να ψάξουν για αποδείξεις μιας ασυμμετρίας που θα αποδεικνύει ότι συμμετέχει η CP παραβίαση.

Έτσι, από τα 10 εκατομμύρια B μεσόνια που παράγονται στο BaBar, τα 120 είναι ειδικού τύπου που επιτρέπει στην επιστημονική ομάδα να ψάχνει για την CP παραβίαση, οδηγώντας τους στα προκαταρκτικά αποτελέσματα.

Τα μυστήρια της συμμετρίας και ασυμμετρίας εκτείνονται και προς το σύμπαν, επίσης. Οι επιστήμονες δεν έχουν δεν έχουν εντελώς κατανοήσει γιατί το τμήμα του σύμπαντος που έχουν παρατηρήσει γίνεται από συνηθισμένη ύλη. Αν οι νόμοι της σωματιδιακής φυσικής ήταν ακριβώς οι ίδιοι για τα σωματίδια και τα αντισωματίδια τους -- ένα είδος συμμετρίας -- τότε η έκρηξη του Big Bang θα είχε δημιουργήσει ίσες ποσότητες ύλης κι αντιύλης, που θα εκμηδένιζαν η μία την άλλη, και το σύμπαν θα ήταν κενό.