Hiểu vật lý trong 60 giây - Bài 10 . Sự vi phạm CP

Hiểu vật lý trong 60 giây - Bài 10 .  Sự vi phạm CP

Lời nói đầu .


Tạp chí Symmetry trình bày rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong Vật lý hiện đại với những ý tưởng , bài viết , công trình lý thuyết lẫn thực nghiệm của tập thể các nhà khoa học hàng đầu hiện nay trên thế giới . Chuyên mục " Hiểu biết Vật lý trong 60 giây " tổng hợp một số bài viết ngắn gọn , súc tích và đầy tính đột phá trong việc giải thích các cơ chế vật lý nhằm giúp người đọc dễ dàng tiếp cận những thông tin mới mẻ . Tác giả của những bài viết này hiện đang công tác tại các Trung tâm nghiên cứu , Viện Khoa học và các trường Đại học danh tiếng nên nguồn thông tin luôn được cập nhật thường xuyên .
 Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .




Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 05/05/2014.


 ------------------------------------------------------------------------------------------- 

Sự vi phạm CP  

Minh họa: Sandbox Studio


Phải chăng các quy luật tự nhiên đều giống nhau cho vật chất và phản vật chất? Các nhà vật lý hay sử dụng thuật ngữ "CP" (cho "đối đẳng tích liên hợp - charge parity") để nói về tính đối xứng vật chất-phản vật chất. Nếu tự nhiên đối xử vật chất và phản vật chất như nhau, thì nói theo phong -cách -vật - lý, tự nhiên cũng sẽ là CP-đối xứng. Nếu không,  tính CP  sẽ bị vi phạm.

Thế nhưng các thí nghiệm đã chỉ ra rằng lực yếu trong tự nhiên - tác nhân về sự phân hủy của các hạt -  trong thực tế là vi phạm CP. Tuy nhiên, sự vi phạm CP đặt ra một sự bí ẩn.

 Bí ẩn từ đâu đến ?

Trong những thí nghiệm tại Alternating Gradient Synchrotron tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven khoa Năng lượng của các nhà vật lý Jim Cronin và Val Fitch phát hiện vào năm 1964 rằng vật chất và phản vật chất không luôn luôn ứng xử một cách đối xứng CP , như các nhà khoa học đã tin như vậy . Thay vào đó, Cronin và Fitch tìm thấy một chút khác biệt trong hành vi của các hạt hạ nguyên tử được gọi là kaon, và phản hạt của chúng, antikaons. Sự khác biệt này tuy nhỏ nhưng rất quan trọng, được gọi là sự vi phạm CP, giữa ứng xử của vật chất và phản vật chất, có thể giải thích cho sự tồn tại của vũ trụ đối xứng của chúng ta , đã được hình thành chỉ từ vật chất .



Các mô hình chuẩn của hạt cơ bản cho thấy rằng khi vũ trụ nhỏ hơn $10 ^{-12}$ giây , là điều kiện đã chín muồi cho việc sản sinh vật chất nhiều hơn phản vật chất với sự vi phạm CP nhằm cung cấp cơ chế cho tốc độ phản ứng khác nhau (để sản sinh vật chất và phản vật chất). Lời giải thích này có vẻ hợp lý , tuy nhiên, các tính toán lý thuyết cũng như đo lường thực nghiệm cho thấy có một sự dư thừa rất nhỏ để đạt được mức độ có thể quan sát được của tính đối xứng CP   .

CP là gì ?

Để hiểu sơ lược về đối xứng CP ta có thể vắn tắt như sau
-Đối xứng CP là một sự kết hợp của tính đối xứng C và P , mà trước đó đã được cho là đối xứng tuyệt đối trong tự nhiên .
-Tình P-đối xứng là đối xứng bình đẳng ( đối đẳng ) : nó biến đổi và bảo toàn tất cả mọi thứ vào hình ảnh phản chiếu của nó .
-Tính C-đối xứng là đối xứng tích liên hợp ( tích liên hợp )  : nó biến đổi một hạt thành phản hạt của nó hoặc ngược lại.
Tích liên hợp (C) là một phép toán biến đổi một hạt thành một phản hạt, ví dụ, thay đổi các dấu của điện tích . Tích liên hợp (C)  ngụ ý rằng tất cả các hạt tích điện đều có một phản vật chất tích điện trái dấu, hoặc phản hạt.

Tính bảo toàn P-đối xứng có nghĩa là bên trái - bên phải và bên trên - bên dưới phải được bảo toàn khi đối xứng qua một gương phản chiếu .

Khi đó đối xứng CP - đối đẳng tích liên hợp - thỏa mãn cả hai tính đối xứng C và P , sẽ có thể được mô tả như sau

Hình ảnh minh họa dưới đây cho chúng ta thấy tính đối xứng CP của hạt neutrino

Vi phạm CP là gì ?

Trong một thời gian dài, đối xứng CP  đã được giả định là tự nhiên luôn luôn đúng. Nó có vẻ rất tự nhiên khi cho các hạt và phản hạt chia sẻ cùng một hiện tượng vật lý, và cả các định luật vật lý để duy trì tính giống nhau ngay cả khi có sự phản ảnh . Tuy nhiên, các nghiên cứu về neutrino đã làm tan vỡ niềm tin này.
Sự vi phạm CP là vi phạm định luật bảo toàn kết hợp gắn liền với tính đối xứng tích liên hợp (C) và tính đối xứng bình đẳng (P). Sự vi phạm CP có thể được hiểu là :
+ Vi phạm tính P-đối xứng

+ Vi phạm tính C-đối xứng

Vi phạm CP đã được phát hiện đầu tiên trong các mô hình phân rã của kaon , một nhóm cụ thể của các hạt phức hợp -composit .
Hai trong số các quỹ  đạo phân rã của các kaon K-dài là đặc biệt nổi bật . Các sản phẩm của hai sự phân rã là phiên bản hoàn toàn đối xứng CP của nhau. Ví dụ, một phản-neutrino electron ra và một neutrino electron, và tất cả các hạt tương ứng khác của hai phân rã cũng là hoàn toàn đối xứng CP.

Mặc dù các sản phẩm của hai phân rã là CP-đối xứng, nhưng chúng không được sản xuất ở mức tương đương. Nếu đối xứng CP là hoàn toàn đúng, thì các kaon K-dài sẽ phân hủy thông qua hai quỹ đạo với một lượng bằng nhau . Tuy nhiên, trong các thí nghiệm, các K-dài lại có nhiều khả năng phân hủy theo qũy đạo bao gồm liên quan đến các neutrino electron bằng một phần rất nhỏ. Sự khác biệt phân đoạn này thể hiện sự vi phạm CP rõ ràng và do đó cung cấp các bằng chứng không thể phủ nhận rằng vật lý không phân biệt giữa vật chất và phản vật chất .

***


Lại nói về BigBang .

Vụ nổ lớn BigBang đã tạo ra một lượng bằng nhau của vật chất và phản vật chất, nhưng với sự hủy diệt tiếp theo sau đó để lại những cái không phải như vậy . Tuy nhiên, vũ trụ khả kiến có khoảng mười tỷ thiên hà bao gồm toàn bộ các vật chất (proton, nơtron và electron) mà lại không có phản vật chất (phản- proton, phản-neutrons, và positron). Ngay sau khi vụ nổ lớn, một số lực nào đó đã phải  gây ra sự vi phạm CP để làm lệch đi sự bình đẳng giữa vật chất và phản vật chất hạt và bỏ lại đằng sau toàn là vật chất dư thừa .

Các lực yếu bởi bản thân nó chỉ có thể giải thích một lượng nhỏ về sự vi phạm CP, không đủ để lại vật chất cho cả một thiên hà . Một số lực ẩn khác - đã không xét đến trong Mô hình Chuẩn của chúng ta về các hạt và các lực - chắc chắn đã phải chịu trách nhiệm cho sự vi phạm CP bổ sung để dẫn tới vũ trụ chúng ta quan sát ngày nay . Những thí nghiệm trong máy gia tốc hạt hiện tại và tương lai được thiết kế nhằm tìm kiếm các nguồn vi phạm CP đủ lớn để có thể xem xét tất cả vũ trụ vật chất xung quanh chúng ta.




01/10/2005
Theo Yosef Nir, Viện Khoa học Weizmann, Israel

 +++++++++++++++++++++++++++

Nguồn :
1. http://www.symmetrymagazine.org/article/october-2005/explain-it-in-60-seconds
2. https://www.fnal.gov/pub/science/inquiring/timeline/17.html
3. https://www.fnal.gov/pub/science/
4. http://universe-review.ca/R02-14-CPviolation.htm
5. http://www.quantumdiaries.org/2011/11/14/what-exactly-is-cp-violation/
6. http://www.nevis.columbia.edu/daedalus/motiv/cp.html



Trần hồng Cơ
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 25/11/2014 .



 ------------------------------------------------------------------------------------------- 

 Chúng ta phải biết và chúng ta sẽ biết . 

 David Hilbert .