K 介子的结果需要一个理论位置
1964 年的 CP 破坏发现说明,弱过程会区别物质与镜像变换后的反物质。1973 年,小林诚与益川敏英追问,怎样把这种差别放进正在形成的可重整化弱作用理论?夸克从两代扩展到三代,便可以留下一个具有可观测后果的复相位。那时,六种夸克还没有全部被发现。
CP 同时把粒子换成反粒子,再翻转空间方向。如果理论遵守 CP,对应过程应有相同概率。K 介子实验已经找到失配,接下来的问题是,这个差别能藏在理论哪一处,又怎样用共同规则解释多种衰变。
弱衰变会把夸克种类混在一起
夸克有不同种类,专业上叫味,例如上、下、奇。每代各有一种上型与一种下型夸克。带电弱作用可以把上型变成下型,却不总是一对一寻找固定伙伴;它耦合的是几种下型夸克的量子混合。混合矩阵就把这些可能路线的振幅排成一张表。
振幅是决定量子概率的量。几条路线通往同一末态时,振幅会干涉,彼此增强还是抵消,取决于相对相位。不过,一些相位只是数学描述中的命名约定,可以重新选择夸克场的相位而消掉。要谈物理效应,先得排除这些任意约定。
两代夸克时,矩阵中的复相位都可以这样去掉,只留一个实混合角。在这个最简框架里,矩阵提供不了 CP 破坏。三代情况却不同,去掉约定之后,还能剩下一个真正影响物理的相位。
来源:[2]
留下的相位怎样改变衰变图案
物理相位留下来,还不保证每种衰变都明显不对称。具体过程要有适当的竞争振幅,振幅大小、其他相位和夸克质量也都会影响结果。即使有三代,某些特殊参数仍可以没有 CP 破坏。小林与益川找到的是容纳这一效应的结构。
中性介子提供一种好用的比较。粒子可以直接衰变到某末态,也可以先混合成反粒子,再抵达同一末态,两条路线能够干涉。标记初始种类,比较随时间变化的衰变分布,便能读出混合参数的组合。抽象相位由此落到真实曲线上。
这套描述后来称为卡比博—小林—益川混合,简称 CKM。卡比博更早的混合角是其中一部分历史基础。第三代增加的结构,让同一弱作用框架有了保留 CP 破坏相位的空间。
相位要通过路线比较才起作用。给某个孤立振幅统一换相位,就像把所有钟的零点一起改掉,时间间隔并不改变。几条通往同一结果的振幅之间,若相对相位改变,干涉图案却会跟着变。
重新定义夸克场,先去掉的是这些任意约定。CKM 中保留下来的相位,可以进入真正可比的相对关系。看似抽象的参数计数,因此能连到粒子与反粒子的衰变差别。
B 工厂把检验带到另一类介子
2001 年,SLAC 的 BABAR 与 KEK 的 Belle 分别报告中性 B 介子衰变中的 CP 破坏。非对称电子—正电子对撞机产生成对 B 介子,一颗的衰变帮助标记另一颗的种类;两个衰变点的间距,又提供时间差信息。测得的时间不对称把 CKM 检验带出了 K 介子系统。
两个合作组使用独立探测器与样本,早期中心值并不一样,统计误差也还较大,但都确立了这一效应。后续更多测量再把三代图景检验得更细。
小林与益川因对称性破缺起源、并预言至少三代夸克的理论贡献,分享 2008 年诺奖的一半。核心区别可以说得很直白:有些相位换个写法就没了,有些相位会改变干涉图案。第三代让后一种可能留下来。