Na física de partículas, violação de CP (carga paridade) é uma violação da combinação da simetria C (simetria de carga) e da simetria P (simetria de paridade). Simetria de CP afirma que as leis da física devem ser as mesmas se a partícula é trocada por sua antipartícula (simetria C) enquanto que suas coordenadas espaciais são invertidas (simetria P ou “espelho”). A descoberta da violação de CP em 1964 em decaimentos de káons neutros resultou no prêmio Nobel em física em 1980 por seu descobridor James Cronin e Val Fitch.
A violação CP tem um papel importante na tentativa da cosmologia explicar a dominância da matéria frente a antimatéria no universo atual, e também, no estudo de interações fracas na física de partículas.
Visão geral Até 1950, acreditava-se que a conservação de paridade seria uma das leis de conservação geométricas fundamentais (junto com a conservação de energia e conservação de momento). Depois da violação de paridade em 1956, a simetria de CP foi proposta para restaurar a ordem. Contudo, enquanto a interação forte e força eletromagnética parecem ser invariantes sob a transformação de CP, experimentos mostram que essa simetria é ligeiramente violada durante certos tipos de decaimento via interação fraca.
Apenas um outro tipo de simetria pode ser preservado em todos os fenômenos físicos, que é a simetria CPT. Além de C e P, há uma terceira operação, a reversão temporal T, que corresponde a um movimento reverso no tempo. A invariância sob a reversão temporal implica que sempre que um movimento é permitido por leis físicas, sua reversão temporal também é permitida e ocorre à mesma taxa.
A combinação de CPT é presumida em constituir uma simetria exata de todos os tipos de interações fundamentais. Devido ao teorema da simetria de CPT, a violação da simetria de CP é equivalente a violação da simetria T. Neste teorema, lembrado como um dos princípios básicos da teoria quântica de campos, conjugação de carga, paridade e reversão temporal são aplicadas juntas. Uma observação direta da violação de simetria temporal sem qualquer suposição do teorema CPT foi feita em 1998 por dois grupos, CPLEAR e KTeV, no CERN e no Fermilab, respectivamente.
Já em 1970, Klaus Schubert observou violação de T independentemente da simetria CPT usando a relação unitária de Bell-Steinberger.
História Simetria P A ideia por trás de simetria de paridade foi que as equações de física de partículas são invariantes sob inversões espelhadas. Isso levou à previsão de que a imagem espelho de uma reação (como uma reação química ou decaimento radioativo) ocorre à mesma taxa da reação original. Contudo, em 1956, uma revisão crítica cuidadosa de dados experimentais existentes pelos físicos teóricos Tsung-Dao Lee e Chen-Ning Yang revelou que enquanto a conservação de paridade havia sido verificada em decaimentos pelas interações forte ou eletromagnética, ela não foi testada na interação fraca. Eles propuseram diversos testes experimentais diretos e possíveis.
O primeiro teste baseado no decaimento beta de cobalto-60 foi realizado em 1956 por um grupo liderado por Chien-Shiung Wu e demonstrou conclusivamente que a interação fraca violava a simetria de P ou, segundo a analogia, que algumas reações não ocorriam com a mesma frequência que a sua imagem espelhada. Porém, a simetria de paridade aparenta ainda ser válida para todas as reações envolvendo eletromagnetismo e interação forte.
Sobretudo, a simetria de um Sistema mecânico quântico pode ser restaurado se outra simetria aproximada S, tal que a combinação de simetria PS se mantem intacta, puder ser achada. Esse ponto bastante sutil sobre a estrutura do espaço de Hilbert foi percebida logo após a descoberta da violação P, e foi proposto que a conjugação de carga C, que transforma uma partícula em sua antipartícula, era a simetria adequada para restaurar a ordem.
Em 1956 Reinhard Oehme numa carta para Yang e pouco após, Ioffe, Okun e Rudik mostraram que a violação de paridade significa que a invariação da conjugação de carga deve ser violada também em decaimentos fracos .
Violação de carga foi confirmada no experimento Wu e em experimentos performados por Valentine Telegdi , Garwin e Lederman que observaram uma paridade não conservativa num decaimento de pion e muom e descobriram que C também é violado. A violação de cargas ficou mais explicita a partir dos experimentos feitos por John Riley Holt na Universidade de Liverpool.
Então Oehme escreveu um artigo com Lee e Yang no qual discutiram a interação da não invariância sob P,C,T. O mesmo resultado também foi independentemente obtido por BLIoffe, Okun e AP Rudik. Ambos os grupos também discutiram possiveis violaçoes de CP em decaimentos de Kaon neutro.
Estado experimental Violação indireta de CP Em 1964, James Cronin, Val Fitch e colegas de trabalho tiveram uma clara evidência de que em decaimento de káons, a simetria de CP poderia ser violada.The Fitch-Cronin Experiment Este trabalho os laureou com o prêmio Nobel de 1980. Essa descoberta mostrou que interações fracas violam não apenas a simetria de conjugação de carga C, entre partícula e antipartícula, e de paridade P, mas também sua combinação. A descoberta chocou físicos e abriu portas para questões ainda no coração da física de partículas e da cosmologia atual. A falta de uma simetria de CP exata, mas também o fato de que é quase uma simetria, criou um grande quebra cabeças.
O tipo de violação de CP descoberta em 1964 estava ligado ao fato dos káons neutros poderem se transformar em suas antipartículas (nas quais cada quark é trocado pelo antiquark do outro) e vice versa, mas essa transformação não ocorre com a mesma probabilidade nas duas direções; é chamada de violação indireta de CP. direita|miniaturadaimagem| Diagrama de caixa de oscilação de Kaon direita|miniaturadaimagem| Os dois diagramas de caixa acima são os diagramas de Feynman que fornecem as principais contribuições para a amplitude de oscilação - Apesar de varias pesquisas, nenhuma outra manifestação de violação de CP foi descoberta até 1990, quando o experimento NA31 no CERN sugeriu evidências para violação de CP no processo de decaimento dos já conhecidos káons neutros (violação de CP direta). A observação foi de alguma maneira controversa, e a prova final veio em 1999 do experimento KTeV no Fermilab e do experimento NA48 no CERN.
Começando em 2001, a nova geração de experimentos, incluindo o experimento BaBar no acelerador linear de Stanford (SLAC) e o experimento Belle na Organização de pesquisa em aceleradores de alta energia (KEK) no Japão, observou a violação de CP direta em diferentes sistemas, chamados de decaimentos de mésons B. Um grande número de processos de violação de CP em decaimentos de mésons B já foram descobertos. Antes desses experimentos “B-factory” (“fábricas de mésons B”), havia uma hipótese de que toda violação de CP estava confinada à física de Káons.
Em 2011, uma dica da violação de CP em decaimentos de mésons D neutro foi reportada pelo experimento LHCb no CERN usando os dados do Run 1 com 0.6 fb-1. No entanto, a mesma medida usando uma amostra, também do Run1 mas com luminosidade total de 3.0 fb-1 , foi consistente com simetria de CP.
Em 2013, o LHCb anunciou a descoberta da violação de CP em decaimentos do méson Bs.
Em 2019, o LHCb anunciou a descoberta da violação de CP direta em decaimentos de mésons .
Em 2020, a colaboração T2K reportou algumas indicações de violação de CP em léptons pela primeira vez. Nestes experimentos, feixes de neutrinos dos múons () e anti neutrinos dos múons () foram alternadamente produzidos por um acelerador neutrino. Na hora que eles chegam no detector, uma quantidade significativamente maior da proporção de neutrinos do elétrons () foi detectada do feixe de do que antineutrinos dos elétrons ()do feixe de (antineutrinos múons). Os resultados ainda não foram precisos o suficiente para determinar o tamanho da violação de CP, relativa a que foi observada nos quarks. Em adição, outro experimento similar, bservou nenhuma evidência de violação de CP na oscilação de neutrinos e está em conflito com a medida do T2K.
Violação de CP no Modelo Padrão
A violação de CP "direta" é permitida no Modelo Padrão se uma fase complexa aparece na matriz Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (matriz CKM) que descreve a mistura de quarks, ou na matriz Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (matriz PMNS) que descreve a mistura de neutrinos. Uma condição necessária para o aparecimento da fase complexa é a presença de pelo menos três gerações de férmions. Se menos gerações estiverem presentes, o parâmetro de fase complexa pode ser absorvido em redefinições dos campos de férmions.
Um invariante de redefinição de fase popular cujo desaparecimento sinaliza a ausência de violação de CP e que ocorre na maioria das amplitudes de violação de CP é o invariante de Jarlskog:
para quarks, que é vezes o valor máximo de Para léptons, existe apenas um limite superior:
A razão pela qual tal fase complexa causa violação de CP (CPV) não é imediatamente óbvia, mas pode ser vista da seguinte forma. Considere quaisquer partículas (ou conjuntos de partículas) e e suas antipartículas e Agora considere os processos e o processo de antipartícula correspondente e denote suas amplitudes e respectivamente. Antes da violação de CP, esses termos devem ser o mesmo número complexo. Podemos separar a magnitude e a fase escrevendo . Se um termo de fase é introduzido (por exemplo) a partir da matriz CKM, denote-o . Note que contém a matriz conjugada de , então ele adquire um termo de fase .
Agora a fórmula se torna:
As taxas de reação fisicamente mensuráveis são proporcionais a , portanto, até agora nada é diferente. No entanto, considere que existem duas rotas diferentes: e ou, equivalentemente, dois estados intermediários não relacionados: e . Este é exatamente o caso do káon, onde o decaimento ocorre através de diferentes canais de quarks (veja a figura acima). Neste caso, temos:
Um cálculo adicional fornece:
Assim, vemos que uma fase complexa dá origem a processos que ocorrem em taxas diferentes para partículas e antipartículas, e a CP é violada.
Do ponto de vista teórico, a matriz CKM é definida como , onde e são matrizes de transformação unitárias que diagonalizam as matrizes de massa dos férmions e , respectivamente.
Assim, existem duas condições necessárias para obter uma matriz CKM complexa: Pelo menos uma de e é complexa, ou a matriz CKM será puramente real. Se ambas são complexas, e devem ser diferentes, ou seja, , ou a matriz CKM será uma matriz identidade, que também é puramente real.
Para um modelo padrão com três gerações de férmions, o padrão não Hermitiano mais geral de suas matrizes de massa pode ser dado por
Esta matriz M contém 9 elementos e 18 parâmetros, 9 dos coeficientes reais e 9 dos coeficientes imaginários. Obviamente, uma matriz 3x3 com 18 parâmetros é muito difícil de diagonalizar analiticamente. No entanto, uma naturalmente Hermitiana pode ser dada por
e ela tem a mesma matriz de transformação unitária U que M. Além disso, os parâmetros em estão correlacionados com aqueles em M diretamente nas formas mostradas abaixo
Isso significa que se diagonalizarmos uma matriz com 9 parâmetros, ela tem o mesmo efeito que diagonalizar uma matriz com 18 parâmetros. Portanto, diagonalizar a matriz é certamente a escolha mais razoável.
Os padrões de matriz e dados acima são os mais gerais. A maneira perfeita de resolver o problema da CPV no modelo padrão é diagonalizar tais matrizes analiticamente e obter uma matriz U que se aplique a ambas. Infelizmente, embora a matriz tenha apenas 9 parâmetros, ela ainda é complicada demais para ser diagonalizada diretamente. Assim, uma suposição
foi empregada para simplificar o padrão, onde é a parte real de e é a parte imaginária.
Tal suposição pode reduzir ainda mais o número de parâmetros de 9 para 5 e a matriz reduzida pode ser dada por
onde e .