อ่าน 12 นาที
เมทริกซ์คาบิบโบ–โคบายาชิ–มาสคาว่า
ใน แบบจำลองมาตรฐาน ของ ฟิสิกส์อนุภาค เมทริกซ์ Cabibbo –Kobayashi–Maskawa หรือ เมทริกซ์ CKM หรือ เมทริกซ์การผสมควาร์ก หรือ เมทริกซ์ KM เป็น เมทริกซ์เอกภาพ...
เมทริกซ์คาบิบโบ–โคบายาชิ–มาสคาว่า
| รสชาติในฟิสิกส์อนุภาค |
|---|
| เลขควอนตัม รสชาติ |
|
| เลขควอนตัมที่เกี่ยวข้อง |
|
| การผสมผสาน |
|
| การผสมรสชาติ |
ในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค เมทริกซ์ Cabibbo –Kobayashi–Maskawaหรือเมทริกซ์ CKMหรือเมทริกซ์การผสมควาร์กหรือเมทริกซ์ KMเป็นเมทริกซ์เอกภาพที่บรรจุข้อมูลเกี่ยวกับความแรงของอันตร กิริยา อ่อนที่เปลี่ยนรสชาติในทางเทคนิคแล้ว มันระบุความไม่ตรงกันของสถานะควอนตัมของควาร์กเมื่อพวกมันเคลื่อนที่อย่างอิสระและเมื่อพวกมันมีส่วนร่วมในอันตรกิริยาอ่อนมันมีความสำคัญในการทำความเข้าใจการละเมิด CPเมทริกซ์นี้ถูกนำเสนอสำหรับควาร์กสามรุ่นโดยMakoto KobayashiและToshihide Maskawa โดยเพิ่ม รุ่นหนึ่งเข้าไปในเมทริกซ์ที่Nicola Cabibbo นำเสนอไว้ก่อนหน้านี้ เมทริกซ์นี้ยังเป็นส่วนขยายของกลไก GIMซึ่งรวมเฉพาะสองในสามตระกูลของควาร์กในปัจจุบันเท่านั้น
คำอธิบาย
รุ่นก่อนหน้า: เมทริกซ์ Cabibbo

ในปี พ.ศ. 2506 Nicola Cabibboได้แนะนำมุม Cabibbo ( θc )เพื่อรักษาความเป็นสากลของ ปฏิสัมพันธ์ แบบอ่อน[ 1 ] Cabibbo ได้รับแรงบันดาลใจจากงานก่อนหน้าของMurray Gell-Mannและ Maurice Lévy [ 2 ] เกี่ยวกับเวกเตอร์ที่ไม่แปลกและแปลกที่หมุนอย่างมีประสิทธิภาพและกระแสอ่อนแกน ซึ่งเขาอ้างอิง[ 3 ]
เมื่อพิจารณาจากแนวคิดปัจจุบัน (ควาร์กยังไม่ได้รับการเสนอ) มุม Cabibbo เกี่ยวข้องกับความน่าจะเป็นสัมพัทธ์ที่ควาร์กดาวน์และควาร์กแปลกสลายตัวเป็นควาร์กอัพ ( | V ud | 2 และ | V us | 2 ตามลำดับ) ในศัพท์ฟิสิกส์อนุภาค วัตถุที่เชื่อมต่อกับควาร์กอัพผ่านปฏิสัมพันธ์อ่อนกระแสประจุคือการซ้อนทับของควาร์กประเภทดาวน์ ซึ่งในที่นี้แสดงด้วยd′ [ 4 ] ใน ทางคณิตศาสตร์คือ:
หรือใช้มุมมองแบบคาบิบโบ:
เมื่อใช้ค่าที่ยอมรับกันในปัจจุบันสำหรับ | V ud | และ | V us | (ดูด้านล่าง) มุม Cabibbo สามารถคำนวณได้โดยใช้
เมื่อ มีการค้นพบ ควาร์กเสน่ห์ในปี 1974 ก็พบว่าควาร์กดาวน์และควาร์กแปลกสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นควาร์กอัพหรือควาร์กเสน่ห์ได้ ซึ่งนำไปสู่สมการสองชุด:
หรือใช้มุมมองแบบคาบิบโบ:
สามารถเขียนในรูปแบบเมทริกซ์ ได้ ดังนี้:
หรือใช้มุมคาบิบโบ
โดยที่ | V ij | 2ต่างๆแทนความน่าจะเป็นที่ควาร์กชนิดjจะสลายตัวเป็นควาร์กชนิดi เมทริกซ์การหมุน 2×2 นี้ เรียกว่า "เมทริกซ์ Cabibbo" และต่อมาได้ขยายเป็นเมทริกซ์ CKM 3×3

เมทริกซ์ CKM

ในปี พ.ศ. 2516 เมื่อสังเกตว่าการละเมิด CPไม่สามารถอธิบายได้ในแบบจำลองสี่ควาร์ก Kobayashi และ Maskawa จึงขยายเมทริกซ์ Cabibbo ไปเป็นเมทริกซ์ Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (หรือเมทริกซ์ CKM) เพื่อติดตามการสลายตัวแบบอ่อนของควาร์กสามรุ่น: [ 5 ]
ด้านซ้ายคือ คู่ดับเบิลต์อัน มีปฏิสัมพันธ์อ่อนของควาร์กชนิดดาวน์ และด้านขวาคือเมทริกซ์ CKM พร้อมด้วยเวกเตอร์ของสถานะมวลของควาร์กชนิดดาวน์ เมทริกซ์ CKM อธิบายความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนสถานะจากควาร์กชนิดj หนึ่ง ไปเป็นควาร์กชนิดi อีกชนิดหนึ่ง การเปลี่ยนสถานะเหล่านี้เป็นสัดส่วนกับ| V ij | 2
ณ ปี 2023 การกำหนดค่าขนาด แต่ละค่า ขององค์ประกอบเมทริกซ์ CKM ที่ดีที่สุดคือ: [ 6 ]
เมื่อใช้ค่าเหล่านั้น เราสามารถตรวจสอบความเป็นเอกภาพของเมทริกซ์ CKM ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราพบว่าองค์ประกอบของเมทริกซ์แถวแรกให้ผลลัพธ์ดังนี้:
ทำให้ผลการทดลองสอดคล้องกับค่าทางทฤษฎีที่ 1
การเลือกใช้ควาร์กชนิดดาวน์ในนิยามนั้นเป็นเพียงข้อตกลง และไม่ได้แสดงถึงความไม่สมมาตรที่ต้องการทางกายภาพระหว่างควาร์กชนิดอัพและชนิดดาวน์ ข้อตกลงอื่นๆ ก็ใช้ได้เช่นกัน: สถานะมวลu , cและtของควาร์กชนิดอัพสามารถกำหนดเมทริกซ์ได้อย่างเทียบเท่ากันในแง่ของคู่ปฏิสัมพันธ์แบบอ่อนu′ , c′และt′เนื่องจากเมทริกซ์ CKM เป็นเมทริกซ์เอกภาพ ดังนั้นเมทริกซ์ผกผันของมันจึงเหมือนกับเมทริกซ์สลับตำแหน่งคู่ สังยุค ซึ่งตัวเลือกอื่นๆ ใช้ โดยปรากฏเป็นเมทริกซ์เดียวกันในรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อย
การสร้างกรณีทั่วไป
เพื่อให้เมทริกซ์มีความทั่วไปมากขึ้น ให้นับจำนวนพารามิเตอร์ที่สำคัญทางกายภาพในเมทริกซ์V นี้ ที่ปรากฏในการทดลอง ถ้ามี ควาร์ก Nรุ่น (2 Nรสชาติ ) แล้ว
- เมท ริกซ์เอกลักษณ์ขนาด N × N (กล่าวคือ เมทริกซ์Vที่V † V = Iโดยที่V †คือเมทริกซ์สลับเปลี่ยนเชิงซ้อนของVและIคือเมทริกซ์เอกลักษณ์) จำเป็นต้องระบุพารามิเตอร์จริง จำนวน Nตัว
- 2 N − 1 ของพารามิเตอร์เหล่านี้ไม่มีความสำคัญทางกายภาพ เนื่องจากเฟสหนึ่งสามารถถูกดูดซับเข้าไปในฟิลด์ควาร์กแต่ละฟิลด์ได้ (ทั้งของสถานะมวลและสถานะอ่อน) แต่เมทริกซ์ไม่ขึ้นอยู่กับเฟสร่วม ดังนั้น จำนวนตัวแปรอิสระทั้งหมดที่ไม่ขึ้นอยู่กับการเลือกเฟสของเวกเตอร์ฐานคือN 2 − (2 N − 1) = ( N − 1) 2
- ในจำนวนนี้1/2N ( N − 1) คือมุมการหมุนที่เรียกว่ามุมการผสมควาร์ก
- ส่วนที่เหลือ1/2( N − 1)( N − 2) เป็นเฟสที่ซับซ้อนซึ่งทำให้เกิด การ ละเมิดCP
N = 2
สำหรับกรณีN = 2 จะมีพารามิเตอร์เพียงตัวเดียว ซึ่งก็คือมุมการผสมระหว่างควาร์กสองรุ่น ในทางประวัติศาสตร์ นี่คือเมทริกซ์ CKM เวอร์ชันแรกเมื่อทราบเพียงควาร์กสองรุ่นเท่านั้น มุมนี้เรียกว่ามุมคาบิบโบตามชื่อผู้คิดค้นคือนิโคลา คาบิบโบ
N = 3
สำหรับ กรณี แบบจำลองมาตรฐาน ( N = 3) จะมีมุมการผสมสามมุมและเฟสเชิงซ้อนที่ละเมิด CP หนึ่งเฟส[ 7 ]
การสังเกตและการคาดการณ์
แนวคิดของคาบิบโบมีที่มาจากความต้องการที่จะอธิบายปรากฏการณ์สองอย่างที่สังเกตได้:
- การเปลี่ยนภาพu ↔ d , e ↔ ν eและμ ↔ ν μมีแอมพลิจูดที่คล้ายกัน
- การเปลี่ยนสถานะที่มีการเปลี่ยนแปลงความแปลกประหลาดΔS = 1มีแอมพลิจูดเท่ากับ 1 /4ใน บรรดาผู้ที่มีΔS = 0
วิธีแก้ปัญหาของ Cabibbo ประกอบด้วยการตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับความเป็นสากลแบบอ่อน (ดูด้านล่าง) เพื่อแก้ไขปัญหาแรก พร้อมกับมุมผสมθc ซึ่งปัจจุบันเรียกว่ามุม Cabibboระหว่าง ควาร์ ก dและsเพื่อแก้ไขปัญหาที่สอง
สำหรับควาร์กสองรุ่นนั้น จะไม่มีเฟสที่ละเมิดสมมาตร CP ได้ ดังที่แสดงโดยการนับในส่วนก่อนหน้า เนื่องจากการละเมิดสมมาตร CP ได้ถูกพบเห็นแล้วในปี 1964 ในการสลายตัวของเคออน ที่เป็นกลาง แบบ จำลองมาตรฐานที่เกิดขึ้นหลังจากนั้นไม่นานจึงบ่งชี้อย่างชัดเจนถึงการมีอยู่ของควาร์กรุ่นที่สาม ดังที่โคบายาชิและมาสกาวะชี้ให้เห็นในปี 1973 การค้นพบควาร์กด้านล่างที่เฟอร์มิแล็บ (โดย กลุ่มของ ลีออน เลเดอร์แมน ) ในปี 1976 จึงเริ่มต้นการค้นหา ควาร์กด้านบนซึ่งเป็นควาร์กรุ่นที่สามที่หายไป ในทันที
อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าค่าเฉพาะที่มุมต่างๆ มีนั้นไม่ใช่การคาดการณ์จากแบบจำลองมาตรฐาน แต่เป็นพารามิเตอร์อิสระในปัจจุบัน ยังไม่มีทฤษฎีใดที่ได้รับการยอมรับโดยทั่วไปที่อธิบายว่าทำไมมุมต่างๆ จึงควรมีค่าตามที่วัดได้ในการทดลอง
ความเป็นสากลที่อ่อนแอ
ข้อจำกัดของความเป็นเอกภาพของเมทริกซ์ CKM บนเทอมแนวทแยงสามารถเขียนได้ดังนี้
แยกกันสำหรับแต่ละรุ่นjซึ่งหมายความว่าผลรวมของการจับคู่ทั้งหมดของควาร์กชนิดอัพตัว ใด ตัวหนึ่ง กับควาร์กชนิดดาวน์ ทั้งหมดจะมีค่าเท่ากันสำหรับทุกรุ่น ความสัมพันธ์นี้เรียกว่าความเป็นสากลแบบอ่อน และ นิโคลา คาบิบโบเป็นผู้ชี้ให้เห็นเป็นครั้งแรกในปี 1967 ในทางทฤษฎีแล้ว เป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่า ดับเบิลเล็ต SU(2) ทั้งหมดจับคู่กับ เวกเตอร์โบซอน ของปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน ด้วยความแรงเท่ากันความสัมพันธ์นี้ได้รับการทดสอบเชิงทดลองอย่างต่อเนื่อง
สามเหลี่ยมเอกภาพ
ข้อจำกัดที่เหลือของความเป็นเอกภาพของเมทริกซ์ CKM สามารถเขียนได้ในรูปแบบดังนี้
สำหรับค่าiและj ที่กำหนดไว้และแตกต่างกัน นี่คือข้อจำกัดของจำนวนเชิงซ้อนสามจำนวน หนึ่งจำนวนสำหรับแต่ละค่า kซึ่งระบุว่าจำนวนเหล่านี้เป็นด้านของรูปสามเหลี่ยมในระนาบเชิงซ้อนมีตัวเลือกiและj หก แบบ (สามแบบเป็นอิสระต่อกัน) ดังนั้นจึงมีรูปสามเหลี่ยมดังกล่าวหกรูป แต่ละรูปเรียกว่ารูปสามเหลี่ยมเอกภาพรูปร่างของรูปสามเหลี่ยมเหล่านี้อาจแตกต่างกันมาก แต่ทั้งหมดมีพื้นที่เท่ากัน ซึ่งสามารถเชื่อมโยงกับ เฟส ที่ละเมิดสมมาตร CP ได้พื้นที่นี้จะเป็นศูนย์สำหรับพารามิเตอร์เฉพาะในแบบจำลองมาตรฐานที่ไม่มีการละเมิดสมมาตร CPทิศทางของรูปสามเหลี่ยมขึ้นอยู่กับเฟสของสนามควาร์ก
ปริมาณที่เป็นที่นิยมซึ่งมีค่าเท่ากับสองเท่าของพื้นที่ของสามเหลี่ยมเอกภาพคือค่าคงที่ของ Jarlskog (ซึ่งแนะนำโดยCecilia Jarlskogในปี 1985)
สำหรับดัชนีภาษากรีกที่แสดงถึงควาร์กอัพ และดัชนีภาษาละตินที่แสดงถึงควาร์กดาวน์ เทนเซอร์ 4 มิติจะมีสมมาตรผกผันสองเท่า
เมื่อพิจารณาถึงความไม่สมมาตร จะมีส่วนประกอบที่ไม่เป็นศูนย์ เพียง 9 = 3 × 3 ส่วน เท่านั้น ซึ่งน่าทึ่งมาก ที่สามารถแสดงให้เห็นได้ จากความเป็นเอกภาพของ V ว่า ส่วนประกอบเหล่านี้มีขนาดเท่ากันทั้งหมดนั่นคือ
ดังนั้น
เนื่องจากด้านทั้งสามของรูปสามเหลี่ยมสามารถตรวจสอบได้โดยตรงด้วยการทดลอง เช่นเดียวกับมุมทั้งสาม ดังนั้นการทดสอบแบบจำลองมาตรฐานประเภทหนึ่งจึงเป็นการตรวจสอบว่ารูปสามเหลี่ยมนั้นปิดสนิทหรือไม่ นี่คือจุดประสงค์ของการทดลองสมัยใหม่หลายชุดที่กำลังดำเนินการอยู่ที่โครงการBELLE ของญี่ปุ่น และ โครงการ BaBar ของสหรัฐอเมริกา รวมถึงที่LHCbใน CERN ประเทศสวิตเซอร์แลนด์
การกำหนดพารามิเตอร์
จำเป็นต้องใช้พารามิเตอร์อิสระสี่ตัวเพื่อกำหนดเมทริกซ์ CKM ให้สมบูรณ์ มีการเสนอรูปแบบการกำหนดพารามิเตอร์หลายแบบ และสามแบบที่ใช้กันทั่วไปแสดงไว้ด้านล่าง
พารามิเตอร์ KM
การกำหนดพารามิเตอร์ดั้งเดิมของ Kobayashi และ Maskawa ใช้มุมสามมุม ( θ 1 , θ 2 , θ 3 ) และมุมเฟสที่ละเมิด CP ( δ ) [ 5 ] θ 1คือมุม Cabibbo เพื่อความกระชับ โคไซน์และไซน์ของมุมθ kจะถูกแทนด้วยc kและs kสำหรับk = 1, 2, 3ตามลำดับ
พารามิเตอร์ CK "มาตรฐาน"
การกำหนดพารามิเตอร์ แบบ "มาตรฐาน" ของ Chau-Keung [ 8 ]สำหรับเมทริกซ์ CKM ใช้มุมออยเลอร์ สามมุม ( θ 12 , θ 23 , θ 13 ) และเฟสที่ละเมิด CP หนึ่งเฟส ( δ 13 ) [ 9 ] θ 12คือมุม Cabibbo ซึ่งเป็นแบบแผนที่กลุ่มข้อมูลอนุภาค สนับสนุน การเชื่อมโยงระหว่างรุ่นควาร์กjและkจะหายไปหากθ jk = 0โคไซน์และไซน์ของมุมจะถูกแสดงด้วยc jkและs jkตามลำดับ
ค่าพารามิเตอร์มาตรฐานในปี 2008 คือ: [ 10 ]
- θ 12 =13.04° ± 0.05° , θ 13 =0.201° ± 0.011° , θ 23 =2.38° ± 0.06°
และ
- δ 13 =1.20 ± 0.08 เรเดียน =68.8° ± 4.5 °
พารามิเตอร์ของ Wolfenstein
Lincoln Wolfensteinได้แนะนำการกำหนดพารามิเตอร์แบบที่สามของเมทริกซ์ CKM โดยใช้พารามิเตอร์จริงสี่ตัวคือλ , A , ρและηซึ่งทั้งหมดจะ 'หายไป' (เป็นศูนย์) หากไม่มีการเชื่อมต่อ[ 11 ]พารามิเตอร์ Wolfenstein ทั้งสี่ตัวมีคุณสมบัติว่าทั้งหมดมีลำดับที่ 1 และเกี่ยวข้องกับการกำหนดพารามิเตอร์ 'มาตรฐาน':
แม้ว่าการกำหนดพารามิเตอร์ของ Wolfenstein สำหรับเมทริกซ์ CKM จะมีความแม่นยำได้ตามต้องการเมื่อดำเนินการไปจนถึงลำดับสูง แต่โดยส่วนใหญ่แล้วจะใช้เพื่อสร้างค่าประมาณที่สะดวกสำหรับการกำหนดพารามิเตอร์มาตรฐาน ค่าประมาณถึงลำดับλ 3ซึ่งมีความแม่นยำดีกว่า 0.3% คือ:
อัตรา การ ละเมิด CPสอดคล้องกับพารามิเตอร์η
โดยใช้ค่าของส่วนก่อนหน้าสำหรับเมทริกซ์ CKM ณ ปี 2008 การกำหนดค่าพารามิเตอร์ Wolfenstein ที่ดีที่สุดคือ: [ 6 ]
- λ = 0.22500 ± 0.0067, A =0.826+0.018 −0.015, ρ = 0.159±0.010 และ η = 0.348±0.010
รางวัลโนเบล
ในปี 2008 โคบายาชิและมาสกาวะได้รับ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์คนละครึ่ง“จากการค้นพบต้นกำเนิดของสมมาตรที่แตกหักซึ่งทำนายการมีอยู่ของควาร์กอย่างน้อยสามตระกูลในธรรมชาติ” [ 12 ]มีรายงานว่านักฟิสิกส์บางคนรู้สึกขมขื่นที่คณะกรรมการรางวัลโนเบลไม่ได้มอบรางวัลให้กับผลงานของคาบิบโบซึ่งผลงานก่อนหน้านี้ของเขามีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับผลงานของโคบายาชิและมาสกาวะ[ 13 ]เมื่อถูกถามถึงปฏิกิริยาต่อรางวัล คาบิบโบเลือกที่จะไม่แสดงความคิดเห็น[ 14 ]
ดูเพิ่มเติม
- การกำหนดแบบจำลองมาตรฐานและการละเมิด CP
- ควอนตัมโครโมไดนามิกส์รสชาติและปัญหา CP ที่รุนแรง
- มุมไวน์เบิร์ก (Weinberg angle ) เป็นมุมที่คล้ายกันสำหรับค่า Z และการผสมโฟตอน
- เมทริกซ์ Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakataซึ่งเป็นเมทริกซ์การผสมที่เทียบเท่าสำหรับนิวตริโน
- สูตรโคอิเดะ
ข้อมูลเพิ่มเติมและลิงก์ภายนอก
- ดีเจ กริฟฟิธส์ (2008). บทนำเกี่ยวกับอนุภาคพื้นฐาน (ฉบับที่ 2). จอห์น ไวลีย์ แอนด์ ซันส์ . ISBN 978-3-527-40601-2.
- B. Povh และคณะ (1995). อนุภาคและนิวเคลียส: บทนำสู่แนวคิดทางฟิสิกส์ . สปริงเกอร์ . ISBN 978-3-540-20168-7.
- II Bigi, AI Sanda (2000). การละเมิด CP . สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ . ISBN 978-0-521-44349-4.
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ เมทริกซ์คาบิบโบ–โคบายาชิ–มาสคาว่า
ใน แบบจำลองมาตรฐาน ของ ฟิสิกส์อนุภาค เมทริกซ์ Cabibbo –Kobayashi–Maskawa หรือ เมทริกซ์ CKM หรือ เมทริกซ์การผสมควาร์ก หรือ เมทริกซ์ KM เป็น เมทริกซ์เอกภาพ...
รุ่นก่อนหน้า: เมทริกซ์ Cabibbo
ในปี พ.ศ. 2506 Nicola Cabibbo ได้แนะนำ มุม Cabibbo ( θc ) เพื่อรักษาความเป็นสากลของ ปฏิสัมพันธ์ แบบ อ่อน [ 1 ] Cabibbo ได้รับแรงบันดาลใจจากงานก่อนหน้าของ Murray Gell-Mann และ Maurice Lévy [ 2 ]...
เมทริกซ์ CKM
ในปี พ.ศ. 2516 เมื่อสังเกตว่า การละเมิด CP ไม่สามารถอธิบายได้ในแบบจำลองสี่ควาร์ก Kobayashi และ Maskawa จึงขยายเมทริกซ์ Cabibbo ไปเป็นเมทริกซ์ Cabibbo–Kobayashi–Maskawa (หรือเมทริกซ์ CKM) เพื่อติดตามการสลายตัวแบบอ่อนของควาร์กสามรุ่น: [ 5 ]
การสร้างกรณีทั่วไป
เพื่อให้เมทริกซ์มีความทั่วไปมากขึ้น ให้นับจำนวนพารามิเตอร์ที่สำคัญทางกายภาพในเมทริกซ์ V นี้ ที่ปรากฏในการทดลอง ถ้ามี ควาร์ก N รุ่น (2 N รสชาติ ) แล้ว