Violación CP

En física de partículas, la violación CP es una violación de la simetría CP, que representa un papel importante en cosmología. Esta violación puede explicar, por ejemplo, por qué existe más materia que antimateria en nuestro Universo. La violación CP fue descubierta en 1964 por James Cronin y Val Fitch, quienes recibieron el Premio Nobel por este descubrimiento en 1980.

La simetría CP

La simetría CP se basa en la composición de la simetría C y la simetría P. La simetría C o simetría de carga afirma que las leyes de la Física serían las mismas si se pudiesen intercambiar las partículas con carga positiva con las de carga negativa. La simetría P o simetría de paridad dice que las leyes de la física permanecerían inalteradas bajo inversiones especulares, es decir, el universo se comportaría igual que su imagen en un espejo. La simetría CP esel producto de ambas.

La interacción fuerte, la gravedad y el electromagnetismo tienen simetría CP, pero no así la interacción débil, lo cual se manifiesta en ciertas desintegraciones radiactivas. Es decir, el lagrangiano que describe las interacciones fuerte, electromagnéticas y graviatacionales son invariantes respecto a transformaciones matemáticas asociadas a la simetría C y la simetría P.

La idea tras la simetría de paridad es que las ecuaciones de la física de partículas son invariantes bajo inversiones especulares. La consecuencia de esto es que la imagen especular de una reacción (como una reacción química o una desintegración radiactiva) ocurre al mismo ritmo que la reacción original. La simetría de paridad parece ser válida para todas las reacciones que involucran interacciones electromagnéticas y fuertes. Hasta 1956 se creía que la conservación de la paridad era una de las leyes geométricas de conservación fundamentales, junto a la conservación de la energía y del momento lineal. Sin embargo, en 1956 los físicos teóricos Tsung-Dao Lee y Chen-Ning Yang llevaron a cabo una revisión crítica de los datos experimentales que reveló que, aunque la conservación de la paridad se había verificado en desintegraciones electromagnéticas y fuertes, no se había comprobado en desintegraciones débiles. Propusieron varias pruebas experimentales directas. La primera se basaba en la desintegración beta del núcleo de cobalto-60, y fue realizada en 1956 por un grupo liderado por Chien-Shiung Wu, demostrando de forma concluyente que las interacciones débiles violan la simetría P.

Lev Landau propuso en 1957 que la verdadera simetría entre materia y antimateria debía ser la simetría CP, esto es, un proceso en el que se sustituyan las partículas por sus antipartículas es equivalente a la imagen especular del proceso original.

Una versión más débil de la simetría, la simetría CPT, sería respetada por todos los procesos físicos. Además de las simetrías C y P incluye la simetría T o simetría de inversión temporal. La simetría de inversión temporal implica que cuando un movimiento está permitido, el movimiento reverso también lo está. La simetría CPT implica que una violación de la simetría CP es equivalente a una violación de la simetría T.

Violación de la simetría CP en el Modelo Estándar

El Modelo Estándar permite una violación "directa" de la simetría CP si aparece una fase compleja en la matriz CKM que describe la mezcla de quarks, o en la matriz PMNS que describe la mezcla de neutrinos. Una condición necesaria para que aparezca esta fase compleja es la existencia de al menos tres generaciones de fermiones.

La razón por la que esta fase compleja da lugar a una violación de CP no es inmediatamente obvia, pero se puede ver con el siguiente razonamiento. Sean dos partículas y , y sus antipartículas y . El proceso y el proceso correspondiente a las antipartículas tienen amplitudes y respectivamente. Si no hubiera violación de CP, estas amplitudes deberían ser el mismo número complejo, que se puede separar en magnitud y fase como . Si la matriz CKM introduce una fase compleja en la amplitud , la amplitud contiene la matriz conjuada, con lo que adquiere una fase :

Las tasas de reacción físicamente medibles son proporcionales a , por lo que hasta ahora no hay ninguna diferencia. Sin embargo, si hay al menos dos rutas de reacción (por ejemplo, dos estado intermedios distinitos) para , se tiene:

Con lo que se obtiene:

Por lo tanto, la existencia de una fase compleja da lugar a procesos que ocurren a diferentes ritmos para partículas y antipartículas, y se viola la simetría CP.

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