סימטריית CPT

בפיזיקה תאורטית, סימטריית CPT היא אחת הסימטריות היסודיות שנשמרת בטבע. היא מייצגת סימטריה של חוקי הטבע הבסיסיים להפעלה בו-זמנית של שלוש פעולות בדידות (דיסקרטיות) שהן: היפוך מטען (C), היפוך מרחב (P) והיפוך זמן (T).

• סימטריית היפוך מטען - סימטריה זו נקראת לרוב סימטריית C (האות C מציינת את המילה Charge) ומציינת את שינוי המטען של חלקיק מסוים מחיובי לשלילי וההפך. הכוונה במטען היא לרוב למטען החשמלי אך סימטריית C הופכת את כל המטענים של חלקיק מסוים כגון את המטען של הכוח הגרעיני החלש, הכוח הגרעיני החזק ומטענים נוספים אותם נושא החלקיק. מנגד סימטריה זו אינה משפיעה על תכונות אחרות של החלקיק כגון המסה, התנע או הספין.
• סימטריית שיקוף - סימטריה זו נקראת לרוב סימטריית P (האות P מציינת את המילה Parity) ומציינת את היפוך הקואורדינטות של המרחב בדומה לשיקוף במראה. באופן מתמטי היא מיוצגת על ידי הפעולה:

${\displaystyle \mathbf {P} :{\begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}}\mapsto {\begin{pmatrix}-x\\-y\\-z\end{pmatrix}}}$

• סימטריית היפוך זמן - סימטריה זו נקראת לרוב סימטריית T (האות T מציינת את המילה Time) ומציינת את היפוך כיוון התקדמות הזמן. באופן מתמטי היא מיוצגת על ידי הפעולה:

:${\displaystyle T:t\mapsto -t.}$

כאשר רוצים להפעיל יותר מסימטריה אחת בו זמנית נהוג לסמן זאת על ידי צירוף האותיות של הסימטריות הרצויות, לדוגמה היפוך המרחב במקביל להיפוך המטען יקרא הפעלת סימטריית CP. אם חוקי הפיזיקה אינם משתנים תחת הפעלת סימטריה מסוימת אנו אומרים כי התאוריה סימטרית תחת אותה הסימטריה. קיימות תורות רבות המייצגות קירוב של המציאות שבהן אחת הסימטריות נשמרת באופן מדויק. סימטריות כאלו נקראות לעיתים "סימטריות מקורבות", ואחת המפורסמות שבהן היא סימטריית CP, המספקת קירוב טוב מאד של מרבית הפעולות בטבע.

משפט CPT

חשיבותן העיקרית של שלושת הסימטרייות הללו היא בתורת השדות הקוונטית. ניתן להוכיח כי כל תורת שדה קוונטית לוקאלית, שהינה אינווריאנטית תחת טרנספורמצית לורנץ, ובעלת המילטוניאן הרמיטי חייבת להיות סימטרית תחת סימטריית CPT.

שבירת סימטריית CP

סימטריית CP היא סימטריה מקורבת בין חלקיקים לאנטי-חלקיקים. בעבר חשבו שהסימטריה מדויקת ושעולם שמורכב מחומר יהיה זהה בתכונותיו לעולם של אנטי-חומר, אך בשנות ה-60 נתגלתה שבירת הסימטריה הזו בניסוי התפרקות של קאונים^[1]. על גילוי זה זכו ג'יימס קרונין וואל פיץ' בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1980.

שבירת סימטריית CP פירושה שכוחות בטבע פועלים באופן שונה על חלקיקים מאשר על אנטי-חלקיקים. התופעה נתגלתה מאוחר יחסית, כי הסימטריה נשמרת תחת מרבית הכוחות: הכח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק, כוח הכבידה. רק הכוח הגרעיני החלש שובר את סימטריית CP.

עולם בעל סימטריית CP יכיל כמויות שוות של חומר ואנטי חומר. כפי שידוע לנו מתצפיות אסטרונומיות בכל היקום הנראה, היקום מכיל כמות גדולה בהרבה של חומר מאשר של אנטי-חומר, ולכן אינו סימטרי תחת CP. שבירת הסימטריה נמדדת גם באופן ישיר במאיצי חלקיקים. נכון להיום, השבירה של סימטריית CP במודל הסטנדרטי, שתואמת לתוצאות במאיצים, קטנה מכדי להסביר את כמות החומר ביקום. זו אחת מהבעיות התאורטיות העיקריות של המודל הסטנדרטי, הנקראת גם בעיית הבאריוג'נסיס (יצירת חומר באריוני).

הערות שוליים