1 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie1 SYMETRIE W FIZYCE I ICH ŁAMANIE  symetrie w fizyce  symetrie dyskretne  cząstki elementarne i ich oddziaływania  łamanie symetrii dyskretnych  poszukiwanie różnic między materią i antymaterią

2 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie2 Proces fizyczny jest symetryczny względem danego przekształcenia, jeśli po przekształceniu opisują go takie same prawa fizyki. SYMETRIE W FIZYCE symetriazachowana wielkość symetriazachowana wielkość  przesunięcie w czasie  energia  przesunięcie w przestrzeni  pęd  obrót  moment pędu Transformacje ciągłe Twierdzenie Noether: Twierdzenie Noether: Jeżeli własności układu nie zmieniają się przy pewnych ciągłych przekształceniach, to odpowiadają temu określone prawa zachowania.

3 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie3 sprzężenie ładunkowe cząstka  antycząstka SYMETRIE DYSKRETNE odbicie w przestrzeni P: x  -x T: t  -t C: C  C Q  -Q odbicie w czasie + - + - Prawa fizyki klasycznej są niezmiennicze względem operacji P, T, C

4 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie4 SYMETRIE DYSKRETNE Parzystość P - wielkość fizyczna charakteryzująca stany kwantowe ze względu na ich zachowanie się przy odbiciach. Parzystość C - wielkość fizyczna charakteryzująca stany kwantowe ze względu na ich zachowanie się przy operacji sprzężenia ładunkowego (zamianie cząstek na antycząstki).

5 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie5 SYMETRIE DYSKRETNE Symetria względem operacji P, C, T, CP, CPT... w mikroświecie: Dla każdego procesu elementarnego, po dokonaniu którejś z tych operacji otrzymujemy realny proces fizyczny, opisany tymi samymi prawami fizyki. Symetrie względem operacji P, C, CP  zachowanie parzystości C, P, CP  reguły wyboru w procesach elementarnych Symetrie względem operacji P, C, CP  zachowanie parzystości C, P, CP  reguły wyboru w procesach elementarnych

6 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie6 ELEMENTARNE SKŁADNIKI MATERII ELEMENTARNE SKŁADNIKI MATERII tcu bsd ---- ---- e-   e KWARKI LEPTONY Sześć rodzajów (zapachów) leptonów i kwarków zgrupowanych w trzech rodzinach. ZAPACH MASA [GeV] ładunek elektr. u (up) d (down) 0.003 0.007 +2/3 -1/3 c (charm) s (strange) 1.2 0.1 +2/3 -1/3 t (top) b (beauty) 172 4.2 +2/3 -1/3 ZAPACH MASA [GeV] ładunek elektr. e - (elektron) e (neutrino el.) 0.003 - 0  - (mion).  0.105 - 0  - (taon).  1.77 - 0

7 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie7 … I ICH ODDZIAŁYWANIA … I ICH ODDZIAŁYWANIA  g nośniki oddziaływań silneelektromagnetyczne t c u b s d Z WWWW słabe atomy elektron neutron proton jądro kwarki materia grawitacyjne  1/100 1  1/10000000000

8 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie8 P AUL A. M. D IRAC Theory of electrons and positrons Nobel Lecture, December 12, 1933 … as far as the theory is yet definite, there is a complete and perfect symmetry between positive and negative electric charge, and if this symmetry is really fundamental in nature, it must be possible to reverse the charge on any kind of particle. 1933 1928: równanie Diraca równanie ruchu swobodnego elektronu dwa rozwiązania: E>0 i E

9 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie9 ODKRYCIE POZYTONU ODKRYCIE POZYTONU 1932: Carl Anderson 1936 Carl Anderson „…something positively charged, and with the same mass as an electron". promieniowanie kosmiczne – naturalne źródło cząstek wysokiej energii Komora Wilsona  17 cm 

10 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie10 Owen Chamberlain Emilio Segre 1965 : odkrycie antydeuteronu A. Zichichi (CERN-PS), L. Lederman (BNL-AGS) 1954 : Bevatron w LBL 1955 : odkrycie antyprotonu O. Chamberlain, E. Segre, C. Wiegand, T. Ypsilantis 1956 : odkrycie antyneutronu B. Corc, O. Piccione, W. Wenzel, G. Lambertson 1995 : pierwsze atomy antywodoru (CERN -LEAR) 1959 u dd Mezony  +,  - uu d OD ANTYCZĄSTEK DO ANTYMATERII OD ANTYCZĄSTEK DO ANTYMATERII

11 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie11 ANTYCZĄSTKI ANTYCZĄSTKI tttt cccc uuuu bbbb ssss dddd ++++ ++++ e+e+e+e+   eeee anty-KWARKI anty-LEPTONY elementarne składniki anty- materii ZAPACH MASA [GeV] ładunek elektr. u d u d 0.003 0.007 -2/3 +1/3 c s c s 1.2 0.1 -2/3 +1/3 t b t b 172 4.2 -2/3 +1/3 anty- atomy anty- elektron anty- neutron anty- jądro anty- kwarki anty- materia anty- proton

12 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie12 Co e e Chen Ning YangTsung Dao Lee 1957 1956: T. D. Lee, C. N. Yang; „Question of Parity Conservation in Weak Interactions”, Phys, Rev. Odkrycie łamania symetrii P w rozpadach  : 60 Co  60 Ni e -  Chien- Shiung Wu I I C CP neutrino lewoskrętne neutrino prawoskrętne antyneutrino prawoskrętne C antyneutrino lewoskrętne Słabe oddziaływania maksymalnie łamią symetrie P i C, natomiast zachowują ich iloczyn CP. ŁAMANIE SYMETRII P i C ŁAMANIE SYMETRII P i C 0100

13 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie13 + - Transformacja CP: C PCP i lustrzane odbicie Psprzężenie ładunkowe C  Symetria CP: Proces fizyczny zachodzi w dokładnie ten sam sposób, jeżeli wszystkie cząstki zamienimy na ich „anty-odpowiedniki” stosując transformację CP.  1964: Odkrycie naruszenia symetrii CP w rozpadach K L H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch, R. Turlay, Phys. Rev. Lett. 83, 138 (1964) asymetria: 0.2%÷0.3% SYMETRIA CP I JEJ ŁAMANIE SYMETRIA CP I JEJ ŁAMANIE Val L. Fitch James W. Cronin 1980 Bezwględna różnica między metrią i antymaterią!

15 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie15 MECHANIZM KOBAYASHIEGO-MASKWAY MECHANIZM KOBAYASHIEGO-MASKWAY Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa 1972: M. Kobayashi, T. Maskawa ?u s d CPV (w modelu standardowym) wymaga trzech rodzin kwarków. b 1977 tc 1995 ---- ----e-   e 2008 1975 2001  nowe przejawy łamania CP  relacje pomiędzy asymetriami CP 1974  nowe kwarki

16 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie16 CLEO3 Belle BaBar PROGRAM EKSPERYMENTALNY

17 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie17 e-e- e+e+ e+e+ b bb uu u B+B+ B-B- anihilacja e + e -   bb  BB E( e + )+ E( e - ) = masa  B + masa B ŹRÓDŁA MEZONÓW B ŹRÓDŁA MEZONÓW B kwarki b nie wchodzą w skład otaczającej nas materii

18 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie18 źródło e + detektor Belle ZDERZACZ KEKB > 1000 000.  BB/dzień

19 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie19 Gdzie szukać łamania CP?  różnice pomiędzy charakterystykami procesów  B  f i B  f B  f  procesy z interferencją co najmniej dwóch amplitud  B   f

20 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie20 B 0  K    _ B 0  K    Asymetrie CP w rozpadach B  B 0  K -  +  (B 0  K +  - ) =  (B 0  K -  + ) ? „bezpośrednie” łamanie CP B 0  K +  - B 0  K +  -

21 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie21 Asymetrie CP w rozpadach B d  /dt(B 0  f CP ) = d  /dt(B 0  f CP ) ? łamanie CP „zależne od czasu”  B 0   -  + B0B0B0B0 B 0   -  + B 0   -  + B0B0B0B0 t A CP =0 A CP =max dN/d  t(B 0  J/  K 0 ) Belle i BaBar,2001: pierwsza obserwacja łamania CP poza mezonami K

22 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie22 Manchester HEP-EPS 2007 Makoto Kobayashi

23 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie23

24 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie24 Nagroda Nobla 2008

25 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie25 KEK – październik 2008 2008 年のノーベル物理学賞を受賞した小林誠先生 ( 高エネルギー加速器研究機構 名誉教授 ) が、 10 月 25 日、我々が実験を行っている「つくば実験棟」を訪れ、 KEKB 加速器と Belle 測定器を見学しました。 見学した際に、小林先生から、「 B ファクトリー実験が成し遂げた成果に対して 、心からの敬意と感謝の意を表します。 特に、 CP 対称性の破れの精密測定とク ォーク混合パラメータの決定は重要な実験の成果であり、 この成果なしにノー ベル賞受賞はなかったと思います。」との言葉を頂きました！ "Please accept our deepest respect and gratitude for the B Factory achievements. In particular, the high precision measurement of CP violation and the determination of the mixing parameters are great accomplishments without which we would not have been able to earn the Prize"

26 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie26  Mechanizm K-M nie wyjaśnia obserwowanej dominacji materii we Wszechświecie. Czego dowiedzieliśmy się?  Zaobserwowano procesy, gdzie asymetrie CP są duże.  Mechanizm Kobayashiego-Maskawy wyjaśnia ilościowo obserwowane asymetrie CP w procesach elementarnych. ?

27 M.Różańska, Symetrie w fizyce i ich łamanie27 ~2 ps  B 0 czy  B 0  pomiar  t f CP