Угол Кабиббо представляет собой вращение векторного пространства собственных состояний, образованного собственными состояниями массы, в векторное пространство слабых собственных состояний, образованное слабыми собственными состояниями θ c = 13,02°.
В 1963 году Никола Кабиббо ввёл угол Кабиббо ( θc ) , чтобы сохранить универсальность слабого взаимодействия . [1]
Кабиббо был вдохновлен предыдущей работой Мюррея Гелл-Манна и Мориса Леви [2]
об эффективно вращающихся нестранных и странных векторных и осевых слабых токах, на которые он ссылается. [3]
В свете современных представлений (кварки еще не были предложены) угол Кабиббо связан с относительной вероятностью распада нижних и странных кварков на верхние кварки ( | V ud | 2 и | V us | 2 соответственно). На жаргоне физики элементарных частиц объект, который соединяется с верхним кварком посредством слабого взаимодействия заряженного тока, представляет собой суперпозицию кварков нижнего типа, обозначенную здесь d' . [4]
Математически это:
или используя угол Кабиббо:
Используя принятые в настоящее время значения для | В уд | и | В нас | (см. ниже), угол Кабиббо можно рассчитать с помощью
Когда в 1974 году был открыт очарованный кварк, было замечено, что нижний и странный кварки могут распадаться либо на верхний, либо на очаровательный кварк, что привело к двум системам уравнений:
где различные | В ij | 2 представляют вероятность того, что кварк аромата j распадется на кварк аромата i . Эта матрица вращения 2×2 называется «матрицей Кабиббо» и впоследствии была расширена до матрицы CKM 3×3.
Наглядное изображение режимов распада шести кварков с увеличением массы слева направо.
Матрица СКМ
Диаграмма, изображающая пути распада из-за заряженного слабого взаимодействия и некоторые указания на их вероятность. Интенсивность линий задается параметрами CKM.
В 1973 году, заметив, что CP-нарушение не может быть объяснено в модели четырех кварков, Кобаяши и Маскава обобщили матрицу Кабиббо в матрицу Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (или матрицу CKM), чтобы отслеживать слабые распады трех поколений кварки: [5]
Слева — партнеры дублета слабого взаимодействия кварков нижнего типа, а справа — матрица CKM вместе с вектором собственных массовых состояний кварков нижнего типа. Матрица CKM описывает вероятность перехода от одного кварка аромата j к кварку другого аромата i . Эти переходы пропорциональны | В ij | 2 .
По состоянию на 2023 год лучшим определением отдельных величин элементов матрицы СКМ было: [6]
Используя эти значения, можно проверить унитарность матрицы CKM. В частности, мы находим, что элементы матрицы первой строки дают:
Отличие от теоретического значения 1 представляет собой напряжение в 2,2 стандартных отклонения . Неунитарность была бы признаком того, что физика выходит за рамки Стандартной модели.
Выбор использования кварков нижнего типа в определении является соглашением и не представляет собой физически предпочтительную асимметрию между кварками верхнего и нижнего типов. Другие соглашения в равной степени действительны: собственные состояния масс u , c и t кварков up-типа могут эквивалентно определять матрицу в терминах их партнеров по слабому взаимодействию u' , c' и t' . Поскольку матрица CKM унитарна, ее обратная идентична ее сопряженной транспонированной матрице , которую используют альтернативные варианты; он выглядит как та же матрица, но в несколько измененной форме.
Общая конструкция корпуса
Для обобщения матрицы подсчитайте количество физически важных параметров в этой матрице V , которые появляются в экспериментах. Если существует N поколений кварков (2 N ароматов ), то
Унитарная матрица размера N × N (то есть матрица V такая, что V † V = I , где V † — сопряженное транспонирование V , а I — единичная матрица) требует указания N 2 действительных параметров.
2 N − 1 из этих параметров не являются физически значимыми, поскольку в каждое поле кварков (как массовых, так и слабых собственных состояний) может быть поглощена одна фаза, но матрица не зависит от общей фазы. Следовательно, общее количество свободных переменных, не зависящих от выбора фаз базисных векторов, равно N 2 − (2 N − 1) = ( N − 1) 2 .
Из них 1/2 N ( N − 1) — углы вращения, называемые углами смешивания кварков .
Остальные 1/2 ( N − 1)( N − 2) — сложные фазы, вызывающие нарушение CP .
Н= 2
Для случая N = 2 существует только один параметр — угол смешивания двух поколений кварков. Исторически это была первая версия матрицы CKM, когда были известны только два поколения. Его называют углом Кабиббо в честь его изобретателя Николы Кабиббо .
Н= 3
Для случая Стандартной модели ( N = 3) существует три угла смешивания и одна комплексная фаза, нарушающая CP. [7]
Наблюдения и прогнозы
Идея Кабиббо возникла из необходимости объяснить два наблюдаемых явления:
переходы u ↔ d , e ↔ ν e и µ ↔ ν µ имели близкие амплитуды.
переходы с изменением странности ΔS = 1 имели амплитуды, равные 1 /4 из тех, у кого ΔS = 0 .
Решение Кабиббо состояло в постулировании слабой универсальности (см. ниже) для решения первой проблемы, а также в постулировании угла смешивания θc , теперь называемого углом Кабиббо , между d- и s- кварками для решения второй проблемы.
Для двух поколений кварков не может быть фаз, нарушающих СР, как показали расчеты предыдущего раздела. Поскольку CP-нарушения уже наблюдались в 1964 году при распаде нейтральных каонов , появившаяся вскоре после этого Стандартная модель ясно указывала на существование третьего поколения кварков, как указали Кобаяши и Маскава в 1973 году. Открытие нижнего кварка в Фермилабе ( группой Леона Ледермана ) в 1976 году немедленно начал поиск топ-кварка , недостающего кварка третьего поколения.
Однако обратите внимание, что конкретные значения, которые принимают углы, не являются предсказанием стандартной модели: это свободные параметры . В настоящее время не существует общепринятой теории, объясняющей, почему углы должны иметь именно те значения, которые измеряются в экспериментах.
Слабая универсальность
Ограничения унитарности СКМ-матрицы на диагональные члены можно записать в виде
отдельно для каждого поколения j . Это означает, что сумма всех связей любого из кварков верхнего типа со всеми кварками нижнего типа одинакова для всех поколений. Это соотношение называется слабой универсальностью и впервые было указано Никола Кабиббо в 1967 году. Теоретически оно является следствием того факта, что все дублеты SU(2) с одинаковой силой связаны с векторными бозонами слабых взаимодействий. Он подвергался постоянным экспериментальным испытаниям.
Треугольники унитарности
Остальные ограничения унитарности СКМ-матрицы можно записать в виде
Для любых фиксированных и разных i и j это ограничение на три комплексных числа, по одному на каждое k , которое говорит, что эти числа образуют стороны треугольника в комплексной плоскости . Существует шесть вариантов i и j (три независимых), а значит, шесть таких треугольников, каждый из которых называется унитарным треугольником . Их форма может быть самой разной, но все они имеют одинаковую площадь, что может быть связано с фазой нарушения CP . Область исчезает для определенных параметров Стандартной модели, для которых не было бы нарушения CP . Ориентация треугольников зависит от фаз кварковых полей.
Популярной величиной, равной вдвое площади унитарного треугольника, является инвариант Ярлскога (введенный Сесилией Ярлског в 1985 году):
Для греческих индексов, обозначающих верхние кварки, и латинских — нижних кварков, 4-тензор дважды антисимметричен:
С точностью до антисимметрии он имеет только 9 = 3 × 3 неисчезающих компонента, которые, что примечательно, из унитарности V можно показать, что все они одинаковы по величине , то есть
так что
Поскольку три стороны треугольников, как и три угла, открыты для прямого эксперимента, класс тестов Стандартной модели заключается в проверке замыкания треугольника. Это цель современной серии экспериментов, проводимых в японской лаборатории BELLE и американской эксперименте BaBar , а также в LHCb в ЦЕРНе, Швейцария.
Параметризация
Для полного определения матрицы CKM необходимы четыре независимых параметра. Было предложено множество параметризаций, и ниже показаны три наиболее распространенных из них.
Параметры КМ
В исходной параметризации Кобаяши и Маскавы использовались три угла ( θ 1 , θ 2 , θ 3 ) и фазовый угол, нарушающий CP ( δ ). [5] θ 1 — угол Кабиббо. Для краткости косинусы и синусы углов θk обозначаются ck и sk , для k = 1, 2 , 3 соответственно.
«Стандартные» параметры
«Стандартная» параметризация матрицы CKM использует три угла Эйлера ( θ 12 , θ 23 , θ 13 ) и одну фазу, нарушающую CP ( δ 13 ). [8] θ 12 — угол Кабиббо. Связи между поколениями кварков j и k исчезают, если θ jk = 0 . Косинусы и синусы углов обозначаются c jk и s jk соответственно.
Значения стандартных параметров на 2008 год были следующими: [9]
Третья параметризация матрицы CKM была введена Линкольном Вольфенштейном с четырьмя параметрами λ , A , ρ и η , которые все «исчезли бы» (были бы равны нулю), если бы не было связи. [10] Четыре параметра Wolfenstein обладают свойством, что все они имеют порядок 1 и относятся к «стандартной» параметризации:
Хотя параметризация Вольфенштейна матрицы CKM может быть настолько точной, насколько это необходимо, если перейти к высокому порядку, она в основном используется для создания удобных приближений к стандартной параметризации. Аппроксимация порядка λ 3 с точностью лучше 0,3% выглядит следующим образом:
Скорости нарушения CP соответствуют параметрам ρ и η .
Используя значения предыдущего раздела для матрицы CKM, по состоянию на 2008 год лучшим определением значений параметра Вольфенштейна является: [11]
λ =0,2257+0,0009 −0,0010, А =0,814+0,021 −0,022, ρ =0,135+0,031 −0,016, и η =0,349+0,015 −0,017.
Нобелевская премия
В 2008 году Кобаяши и Маскава разделили половину Нобелевской премии по физике «за открытие происхождения нарушенной симметрии, предсказывающей существование по крайней мере трёх семейств кварков в природе». [12] Сообщалось, что некоторые физики питали горькие чувства по поводу того факта, что Нобелевский комитет не наградил работу Кабиббо , чьи предыдущие работы были тесно связаны с работами Кобаяши и Маскавы. [13] На вопрос о реакции на приз Кабиббо предпочел воздержаться от комментариев. [14]
^ Кабиббо, Н. (1963). «Унитарная симметрия и лептонные распады». Письма о физических отзывах . 10 (12): 531–533. Бибкод : 1963PhRvL..10..531C. дои : 10.1103/PhysRevLett.10.531 .
^ Гелл-Манн, М .; Леви, М. (1960). «Осевой векторный ток при бета-распаде». Иль Нуово Чименто . 16 (4): 705–726. Бибкод : 1960NCim...16..705G. дои : 10.1007/BF02859738. S2CID 122945049.
^ Майани, Л. (2009). «Sul premio Nobel per la fisica 2008» [О Нобелевской премии по физике за 2008 год] (PDF) . Иль Нуово Саггиаторе . 25 (1–2): 78. Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2011 года . Проверено 30 ноября 2010 г.
^ Аб Кобаяши, М.; Маскава, Т. (1973). «CP-нарушение в перенормируемой теории слабого взаимодействия». Успехи теоретической физики . 49 (2): 652–657. Бибкод : 1973PThPh..49..652K. дои : 10.1143/PTP.49.652 . hdl : 2433/66179 .
^ RL Workman et al. (Группа данных о частицах) (август 2022 г.). «Обзор физики элементарных частиц (и обновление 2023 года)». Успехи теоретической и экспериментальной физики . 2022 (8): 083C01. дои : 10.1093/ptep/ptac097 . hdl : 20.500.11850/571164 . Проверено 12 сентября 2023 г.
^ Баэз, JC (4 апреля 2011 г.). «Нейтрино и загадочная матрица Понтекорво-Маки-Накагавы-Саката» . Проверено 13 февраля 2016 г. Фактически матрица Понтекорво–Маки–Накагавы–Сакаты действительно влияет на поведение всех лептонов, а не только нейтрино. Кроме того, аналогичный трюк работает и для кварков – но тогда матрица U называется матрицей Кабиббо–Кобаяши–Маскавы.
^ Чау, LL; Кеунг, В.-Ю. (1984). «Комментарии к параметризации матрицы Кобаяши-Маскавы». Письма о физических отзывах . 53 (19): 1802–1805. Бибкод : 1984PhRvL..53.1802C. doi : 10.1103/PhysRevLett.53.1802.