粒子物理学におけるCP違反の調査

CP対称性の破れは、粒子とその反粒子を入れ替えたり、空間座標を反転させたりしたときに、特定の過程が同じように振る舞わないときに起こるんだ。これは素粒子物理学の重要な研究領域で、私たちの宇宙に物質が反物質よりも多い理由を説明する手がかりになるかもしれない。

#素粒子物理学の標準モデル

標準モデルは、宇宙の基本的な粒子がどのように相互作用するかを説明する主要な理論だ。素粒子は、フェルミオンとボソンという2つの主要なタイプに分類される。フェルミオンは物質を構成し、ボソンはこれらの粒子間の力を調整する。フェルミオンはさらにクォークとレプトンに分けられる。クォークは陽子と中性子を形成して原子核を作り、レプトンには電子やニュートリノが含まれる。

自然界には、強い力、電磁力、弱い力、重力の4つの基本的な力がある。ただし、素粒子を考えるとき、重力は他の3つに比べてずっと弱いので無視されがちだ。電磁力は量子電磁力学（QED）で説明され、強い力は量子色力学（QCD）で、CP対称性の破れに重要な弱い相互作用は弱い力理論で説明される。

#素粒子物理学における対称性

素粒子物理学では、粒子と反粒子に関連する電荷対称性や空間の反転を含むパリティ対称性など、特定の対称性が存在することが観察されている。1964年には、CP対称性が破れる可能性があることが実験で示された。つまり、特定の反応は粒子とその反粒子で異なることがあるってことだ。これは、カイオンや最近のBメソンなどで最初に観察された。

CP対称性の破れに関連する重要なアイデアの一つがバリオジェネシスで、これは1967年にアンドレイ・サハロフによって提唱された。彼は、CP対称性の破れが宇宙に物質が反物質よりも多い理由を説明するために必要な条件の一つであると示唆した。

#崩壊におけるCP対称性の破れ

CP対称性の破れは、クォーク・反クォークのペアから成るメソンの崩壊中に起こることがある。一例がDメソンで、チャームクォークを含んでいる。この崩壊の過程では、ある種のクォークが別のクォークに変わることがある。具体的には、チャームクォークをダウンクォークに変えるような感じだ。これらの過程に関連する確率は経路によって異なることがあり、それが計測可能なCP対称性の破れにつながる。

2019年、LHCb実験はDメソン崩壊におけるCP対称性の破れの直接の観察に成功し、素粒子物理学において重要なマイルストーンとなった。この結果は、CP対称性の破れが弱い相互作用とクォークの性質に関連していることを強化した。

#CKM行列の役割

カビボ-小林-益川（CKM）行列は、弱い相互作用中にクォークのフレーバーがどのように変わるかを説明する。この行列には、さまざまな崩壊過程の可能性に影響を与える複素数が含まれている。CKM行列の各要素は、異なるクォークタイプがどのくらい強く相互作用できるかを示し、行列に複素位相が存在するとCP対称性の破れの可能性を示唆している。

クォークの相互作用は特定の世代に限定されるわけではなく、異なる世代のクォークを含むこともある。ただし、世代を越えた相互作用は確率が低いため、同じ世代のクォークの相互作用に比べて「抑制」されることが多い。

#CP対称性の理解

物理的プロセスがCP不変であるためには、電荷共役（粒子と反粒子を入れ替えること）とパリティ変換（空間座標を反転させること）の両方の下で変化しない必要がある。これらの変換の後に違いが見られれば、CP対称性が破れていることになる。

時間反転もCP対称性の話をする上で重要だ。CPT定理では、電荷、パリティ、時間を対称性として扱えるなら、これらの変換を一緒に適用したときにシステムが一貫して振る舞うはずだと述べている。この定理は、粒子とその反粒子は質量と寿命が等しいべきだと暗示している。

#最終状態相互作用とCP非対称性

CP対称性の破れを判定するためには、粒子とその反粒子の崩壊率の違いを観察することが含まれる。Dメソンの場合、全体の崩壊は、複数の過程が加算されたり干渉したりすることになることがある。これにより、CP対称性の破れの特徴である観測可能な非対称性が生じる。

最終状態相互作用（FSI）は、これらの崩壊過程を形作る上で重要な役割を果たす。これらの相互作用は、崩壊後に形成された粒子が観測される前にお互いに相互作用する際に発生し、相をシフトさせて結果の崩壊率に影響を与えることがある。

#中性メソンの振動

Dメソンや他の中性メソンは、異なる状態間で振動することができる。この振動は弱い相互作用と粒子と反粒子の状態の混合によって起こる。たとえば、Dメソンはチャームクォークを含む状態からストレンジクォークを含む状態に変わってまた戻ることができる。これらの振動は、異なる状態の崩壊率が等しくない場合にCP対称性の破れに寄与することがある。

#CP対称性の実験的発見

LHCb実験は、Dメソンの崩壊におけるCP対称性の破れの研究において重要な役割を果たしている。プロトン-プロトン衝突で生成されたさまざまな最終状態間の崩壊率の違いを分析することで、研究者たちはチャーム崩壊過程でこれまで見られなかった方法でCP対称性の破れの証拠を得た。

LHCbチームは特にDメソンがパイオンとカイオンのペアに崩壊する様子を調べ、CP非対称性を測定する上で重要だ。結果は、DメソンにおけるCP対称性の破れの大きさが標準モデルが予測したよりも大きいことを示した。この不一致は、現在のモデルを超えた新しい物理の存在を示唆するかもしれない。

#ニュートリノにおけるCP対称性の破れ

CP対称性の破れはクォークの相互作用に限らず、ニュートリノの振動にも起こる。PMNS行列は、ニュートリノがフレーバーを変える様子を説明し、これはクォークのCKM行列に似ている。この場合、ニュートリノは空間を移動する間にあるタイプ（またはフレーバー）から別のものに切り替わる。ニュートリノと反ニュートリノの振動確率は、PMNS行列に存在する複素位相のために異なることがあり、これがニュートリノ実験におけるCP対称性の破れを引き起こす。

#結論

CP対称性の研究は、私たちの宇宙の根本的な性質を理解する上で重要な要素だ。標準モデルは素粒子の相互作用を説明するしっかりとした枠組みを提供しているが、最近のチャーム崩壊におけるCP対称性の破れの観察は、もっと学ぶべきことがあるかもしれないことを示唆している。これらの現象に関する研究は、物質と反物質の非対称性の理由や基本的な力の統一に関するさらなる洞察を解き明かす可能性がある。