Strzałka czasu w rozpadach kwarków i antykwarków P. Żenczykowski IFJ PAN Dzień Otwarty 01.10.2004

1. Czas w równaniach teorii oddziaływań Grawitacja (Newton, Einstein) Elektromagnetyzm (Coulomb, Maxwell) fizyka atomowa (Schrődinger) Symetria równań w makroświecie: t → -t Czy w oddziaływaniach świata mikroskopowego jest też taka symetria równań? Oddziaływania silne (jądrowe) w jądrach atomowych – tak (Wiązanie protonów i neutronów w jądrze)

p 2. Inne “odbicia” W czasie: t → -t T W przestrzeni: x→-x, y→-y, z→-z P LEWE PRAWE Cząstka ↔ antycząstka C Elektron e- ↔ pozyton e+ ; Proton p ↔ antyproton p

C P T CP zamiast T t (nie potrafimy zmieniać kierunku x biegu czasu)

3. Sprawdzenie symetrii T w oddziaływaniach cząstek elementarnych Porównujemy: 1) proces z udziałem cząstek 2) proces w którym cząstki zastąpiono przez antycząstki (C) obserwowany w lustrze (P) A) Jeśli 1) i 2) wyglądają tak samo to mamy symetrię CP, czyli T Nie ma rozróżnienia między t i -t B) Jeśli 1) i 2) nie wyglądają tak samo to symetria CP (czyli T) jest łamana Jest rozróżnienie między t i -t W przypadku B) jeden z dwóch kierunków czasu jest wyróżniony Możemy wtedy powiedzieć, że w oddziaływaniach w mikroświecie jest wyróżniona STRZAŁKA CZASU

4. Łamanie symetrii i zasady zachowania Badanie łamania symetrii przy odbiciu w czasie można robić więc poprzez porównanie ciągu procesów dla cząstek i antycząstek: a  b  c  d  … z lustrzanym odbiciem ciągu Trzeba patrzeć, czy na którymś etapie ciągu nie pojawi się różnica (np. gdyby zamiast c pojawiło się c’) Jeśli jest symetria T, to na każdym etapie różnica będzie ZERO Czyli pewna wielkość (tu: różnica) ZACHOWUJE się w czasie Wielkościami zachowującymi się w czasie są np. Ładunek, pęd, energia,… (Te wielkości zachowują się zawsze, tak w świecie makroskopowym, jak i w świecie mikroskopowym) Ale być może istnieją wielkości, które zachowują się w świecie makroskopowym, ale nie zachowują się w świecie mikroskopowym?

5. Eksperyment – zasada zachowania pędu Coś tak szokującego o oddziaływaniach mikroświata odkryto w roku 1964, w zachowaniu pewnych cząstek elementarnych, tzw. kaonów. SZOK! Odkryto, że cząstki i antycząstki w lustrze zachowują się INACZEJ

6. Strzałki czasu Kosmologiczna (Wielki Wybuch) Elektromagnetyczna (są fale rozchodzące się, nie ma fal schodzących się Przepływ ciepła (od ciepłego do zimnego) Od porządku do nieporządku (np. rozbicie wazonu) … W rozpadach kaonów (mikroświat, kwarki i antykwarki) (Między niektórymi tymi strzałkami da się ustalić związek)

7. Kwarki i antykwarki ↑ Q = 0 ↑ C Masa/ masa protonu 0.01 0.15 5.0 d s b antykwarki Q = +1/3 Masa/ masa protonu 0.005 1.4 170. kwarki Q = +2/3 u c t antykwarki Q = -2/3 C down, strange, bottom dolny,dziwny,spodni up, charm, top górny, powabny, wierzchni u u d Mezony K, kaony Proton Q = +1 u d d s s d Mezony p u u d Antyproton Q = – 1 d u K0 K0 ↑ Q = 0 ↑

8. Rozpady kaonów – oddziaływania słabe W oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych i jądrowych kwarki się nie zmieniają: u  u  u  … uu  energia ds  ds  ds  … d  d  d  … W tzw. oddziaływaniach słabych może nastąpić rozpad kaonu: Masa 0.5 ds  dd + energia  du + ud = 2 mezony p 0.14 + 0.14 = 0.28 0.14 + 0.14 + 0.14 = 0.42 4 * 0.14 = 0.56 > 0.5 ds  3 mezony p, 4 mezony p Tzn. kwarki zmieniają się jedne w drugie (Całkowity ładunek nie zmienia się) Silne: 1-10 Elektromagnetyczne: 1/100 Dlaczego “słabe”? Słabe: ~ 1/10000000000 Słabe rozpady zachodzą więc BARDZO RZADKO

Odbicie w przestrzeni P: sd K0 2 a  -a 1 b b  -b K0 1 2 Cząstka  antycząstka C a ds   a  b  a CP: a  – b, b  – a CP: a + b  – b – a = – (a + b) to samo, zmieniony znak (antysymetria) CP: a – b  – b + a = + (a – b) to samo, ten sam znak (symetria) a – b Nowe wektory bazy a + b

Spodziewana symetria t  – t w oddziaływaniach słabych Oddz. słabe: ds  du + ud = 2 mezony p sd  du + ud = 2 mezony p ds  sd Tzn. oddz. słabe zmienia jeden mezon K w drugi: a  b Wtedy: a – b  b – a, a + b  b + a, Kierunki (z dokł. do znaku) nie ulegaja zmianie (Zachowują się) Oznaka SYMETRII t  – t Masa p = 0.14 Gdyby masa p = 0,17 to 3 p cięższe niż K (masa = 0.50) – rozpad byłby niemożliwy Podobnie można pokazać, że dwa mezony p zachowują się jak a trzy mezony p - jak 2 p - często 3 p - rzadko Rozpady kaonów: 2 p 2 p 3 p 3 p

SZOK EKSPERYMENT 1964 K0 Mezony K rozróżniają między t i – t, |1 | 10 K0 1964 Mezony K rozróżniają między t i – t, tj. między przeszłością a przyszłością

NAGRODA NOBLA 1980 po 16 latach: całkiem szybko J.W. Cronin, EVIDENCE FOR THE 2 PI DECAY OF THE K(2)0 MESON J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch, R. Turlay Phys.Rev.Lett.13:138-140,1964 po 16 latach: całkiem szybko

9. Rozpady kwarków – opis dzisiejszy Q = –1/3 s d b u c t s d b u c t Q = +2/3 λ = 0.22 Siły przejść: d s u 1 λ c – λ b – λ3 λ2 1 d s u 1 λ c – λ b +λ3 λ2 1 CP (T) t – λ3 λ2 t +λ3 λ2 Teoria mówi, że ma być taka różnica w znakach Gdyby nie było (ciężkich) kwarków b, t nie byłoby łamania odbicia w czasie w mikroświecie 2. Ponieważ λ3 = 0,01 więc efekty pochodzące od kwarków ciężkich (t,b) są bardzo małe

Czyli z brakiem symetrii przy odbiciu w czasie 10. Rozpady mezonów K i B Mezony K u, c, t s d Dla procesów K0  K0 przyczynek od kwarku t bardzo mały – więc bardzo mały efekt braku symetrii przy odbiciu w czasie W W d u, c, t s Dla mezonów B, w których zamiast kwarku s mamy kwark b ( bd, db ) – mamy od razu do czynienia z efektami związanymi ze zmianą znaku przy przejściu od cząstek do antycząstek: b  u z siłą – λ3 b  u z siłą + λ3 Czyli z brakiem symetrii przy odbiciu w czasie Dlatego prowadzi się obecnie wiele eksperymentów z mezonami zawierającymi kwarki b (kwark t jest za ciężki do eksperymentów) Belle – Japonia BaBar - Kalifornia

WARTO ZAPAMIĘTAĆ: Kalifornia Japonia 1. Jest 6 typów kwarków różniących się masami, (i 6 typów antykwarków) 2. Dzięki temu, że jest sześć (a nie np. cztery) typów teoria pozwala, by kwarki i antykwarki (w lustrze) w słabych oddziaływaniach zachowywały się trochę inaczej, Kalifornia Japonia czyli by rozróżniały przeszłość i przyszłość na poziomie mikroskopowym 3. Przeprowadzane obecnie eksperymenty mają sprawdzić, czy teoria jest poprawna

Co robi lustro? ZAGADKA Obeirzyj odbicie np. lewej ręki w lustrze. Wygląda jak ręka prawa. Mówi się, że lustro wymienia ze sobą strony “prawą” i “lewą”. Dlaczego wobec tego nie wymienia “góry” z “dołem”? Co robi lustro?