Paritate (fizică)

În fizică , paritatea înseamnă proprietatea unui fenomen de a se repeta neschimbată după o inversare a coordonatelor spațiale.

Când se întâmplă acest lucru, se spune că paritatea este păstrată, nu se păstrează altfel. Această din urmă posibilitate a fost mult timp neglijată, deoarece mecanica clasică credea că toate forțele fundamentale păstrează paritatea. În realitate, este conservat pentru electromagnetism , interacțiune gravitațională și interacțiune puternică , dar nu și pentru interacțiuni slabe .

Descriere geometrică

O inversiune (sau transformare) a parității înseamnă schimbarea semnului simultan cu cele trei coordonate spațiale:

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

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

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

O reprezentare matricială 3 × 3 a lui P va avea un determinant egal cu -1 și, prin urmare, nu poate fi redusă la o rotație. În plan, paritatea nu este echivalentă cu o rotație de 180 °. De fapt, determinantul matricei P trebuie să fie -1, ceea ce nu se întâmplă pentru o rotație în 2-D. În acest caz, o transformare a parității schimbă semnul lui x sau y, nu pe ambele.

Efectul inversării coordonatelor spațiale în unele cantități ale fizicii clasice

Ei pastreaza

Unele mărimi clasice care sunt invariante datorită inversării coordonatelor spațiale:

\ t

{\ displaystyle \ t}

\ t

, momentul în care apare un eveniment

ȘI

{\ displaystyle E}

ȘI

, energia unei particule

P.

{\ displaystyle P}

P.

, puterea

\mathbf {L}

{\ displaystyle \ mathbf {L}}

{\ mathbf L}

, impulsul unghiular al particulei

\mathbf {S}

{\ displaystyle \ mathbf {S}}

{\ mathbf S}

, rotirea particulei

\rho

{\ displaystyle \ rho}

\ rho

, densitatea sarcinii electrice

V.

{\ displaystyle V}

V.

, potențialul electric

\mathbf {B}

{\ displaystyle \ mathbf {B}}

\ mathbf B

, câmpul magnetic

\mathbf {H}

{\ displaystyle \ mathbf {H}}

\ mathbf H

, câmpul magnetic auxiliar

\mathbf {M}

{\ displaystyle \ mathbf {M}}

\ mathbf M

, magnetizare

\varrho

{\ displaystyle \ varrho}

\ varrho

, densitatea energetică a câmpului electromagnetic

T_{ij}

{\ displaystyle T_ {ij}}

{\ displaystyle T_ {ij}}

, Tensorul de stres al lui Maxwell

m

{\ displaystyle m}

m

, masa

q

{\ displaystyle q}

q

, sarcina electrică

Nu se păstrează

Unele cantități clasice care schimbă semnul datorită inversării spațiale:

\mathbf {x}

{\ displaystyle \ mathbf {x}}

\ mathbf x

, poziția unei particule în spațiul tridimensional

\mathbf {v}

{\ displaystyle \ mathbf {v}}

\ mathbf v

, viteza unei particule

\mathbf {a}

{\ displaystyle \ mathbf {a}}

\ mathbf a

, accelerarea unei particule

\mathbf {p}

{\ displaystyle \ mathbf {p}}

{\ mathbf p}

, impulsul liniar al unei particule

\mathbf {F}

{\ displaystyle \ mathbf {F}}

\ mathbf F

, forța asupra unei particule

\mathbf {J}

{\ displaystyle \ mathbf {J}}

\ mathbf J

, densitatea curentului electric

\mathbf {E}

{\ displaystyle \ mathbf {E}}

\ mathbf E

, câmpul electric

\mathbf {D}

{\ displaystyle \ mathbf {D}}

\ mathbf D

, inducția electrică

\mathbf {P}

{\ displaystyle \ mathbf {P}}

\ mathbf P

, polarizarea electrică

\mathbf {A}

{\ displaystyle \ mathbf {A}}

\ mathbf A

, potențialul magnetic

\mathbf {S}

{\ displaystyle \ mathbf {S}}

{\ mathbf S}

, vectorul Poynting

Paritate în mecanica cuantică

O reprezentare bidimensională este dată de o pereche de stări cuantice care schimbă paritatea. Acest proces nu este altceva decât o combinație liniară de stări, fiecare dintre ele fiind impar sau pare. În esență, toate reprezentările ireductibile ale parității sunt unidimensionale.

În mecanica cuantică, transformările spațiu-timp acționează asupra unei stări cuantice .

Operatorul de paritate P este un operator liniar care acționează pe o stare ψ astfel încât:

\,\!\mathbf {P} ({\boldsymbol {\Psi }}(r))={\boldsymbol {\Psi }}(-r)

{\ displaystyle \, \! \ mathbf {P} ({\ boldsymbol {\ Psi}} (r)) = {\ boldsymbol {\ Psi}} (- r)}

\, \! {\ mathbf P} ({\ boldsymbol {\ Psi}} (r)) = {\ boldsymbol {\ Psi}} (- r)

Il poti avea $\,\!\mathbf {P} ^{2}{\boldsymbol {\Psi }}(r)=e^{i\phi }\;{\boldsymbol {\Psi }}(r)$ ${\ displaystyle \, \! \ mathbf {P} ^ {2} {\ boldsymbol {\ Psi}} (r) = e ^ {i \ phi} \; {\ boldsymbol {\ Psi}} (r)}$ $\, \! {\ mathbf P} ^ {2} {\ boldsymbol {\ Psi}} (r) = e ^ {{i \ phi}} \; {\ boldsymbol {\ Psi}} (r)$ , prin urmare, faza generală a unui stat nu este observabilă.

Operatorul P ² , care inversează paritatea unei stări de două ori, lasă invariant spațiu-timp. Prin urmare, este o simetrie internă care își rotește valorile proprii cu o fază și ^{i φ} . Dacă P ² este un element al unui grup de simetrie continuă U (1), cu fază de rotație și ^{i Q,} atunci e ^{Q -i / 2} este parte a U (1) și este , de asemenea , o simetrie.

În special putem defini

\,\!\mathbf {P} '=\mathbf {P} \,e^{-i\,Q/2}

{\ displaystyle \, \! \ mathbf {P} '= \ mathbf {P} \, e ^ {- i \, Q / 2}}

\, \! {\ mathbf P} '= {\ mathbf P} \, e ^ {{- i \, Q / 2}}

care este încă o simetrie și, prin urmare, suntem liberi să numim P ' în loc de P operatorul nostru de paritate. Cu toate acestea, rețineți că P ' ² = 1 și care este P' are valori proprii ± 1. Cu toate acestea, atunci când nu există niciun grup de simetrie, transformările parității au valori proprii cu fază diferită de ± 1.

Încălcarea parității

Modelul standard include încălcarea parității prin exprimarea forței slabe ca o interacțiune asimetrică de scară . La această interacțiune participă doar particulele stângaci și antiparticulele stângaci. Aceasta implică faptul că paritatea nu este simetrică pentru universul nostru, cu excepția cazului în care există o zonă de materie întunecată în care paritatea este încălcată în sens opus.

Descoperirea încălcării parității a fost sugerată de mai multe ori înainte de a exista dovezi experimentale ale acesteia. Dar o analiză teoretică atentă a fenomenului a avut loc doar la începutul anilor cincizeci de către Tsung Dao Lee și Chen Ning Yang , doi fizicieni de origine chineză, studenți ai Fermi la Universitatea din Chicago .

Au arătat că, deși conservarea parității a fost verificată în decăderi prin interacțiune puternică sau electromagnetică , aceasta nu a fost încă dovedită în interacțiunea slabă . Apoi au propus mai multe experimente de verificare posibile, dar mulți le-au ignorat. Cu toate acestea, Lee și-a convins colegul de la Universitatea Columbia , Chien-Shiung Wu să facă un test de descompunere a razelor beta . Wu avea nevoie de echipamente criogenice și tehnice, așa că experimentul a avut loc la Biroul Național de Standardizare .

Deci, în iarna dintre 1956 și 1957 , Wu, E. Ambler, RW Hayward, DD Hoppes și RP Hudson au purtat așa-numitul experiment Wu , constatând o încălcare clară a egalității în decăderea beta a cobaltului-60 .

În timp ce se făceau controtesturi experimentale, Wu și-a informat colegii de la Columbia cu privire la rezultatele obținute. Trei dintre ei, Richard Garwin , Leon Max Lederman și R. Weinrich au modificat un ciclotron pe care îl aveau în laborator, pentru a verifica imediat același fenomen. Și, de fapt, au observat că, dacă rotirea nucleelor este inversată, direcția privilegiată de emisie a electronilor este inversată.

Au întârziat publicarea rezultatului lor până când echipa lui Wu a fost pregătită și ele, iar cele două articole au apărut unul după altul.

După aceste evenimente, s-a descoperit că un experiment din 1928 a raportat de fapt o încălcare a parității în decăderi slabe, dar deoarece conceptele teoretice pentru a explica acest lucru nu au fost încă elaborate, descoperirea a rămas necunoscută pentru o mare parte din comunitatea științifică.

Descoperirea încălcării parității a explicat imediat așa - numitul puzzle τ - θ din fizica kaon .

Paritate intrinsecă a hadronilor

Fiecărei particule i se poate atribui o paritate intrinsecă atâta timp cât este conservată. Deși acest lucru nu se întâmplă în interacțiunile slabe, totuși se poate atribui paritate fiecărui hadron examinând reacția puternică de interacțiune care îl produce sau prin dezintegrări care nu implică forța slabă, cum ar fi

π ⁰ → γγ .

Bosonii sunt împărțiți în mod tradițional în funcție de paritatea lor în: bosoni pseudoscalari , bosoni vectoriali și bosoni vectoriali axiali .

Experimentul Garwin, Lederman și Weinrich

Când Wu a informat Universitatea Columbia despre rezultatele obținute, în ianuarie 1957, Lederman și-a sunat colegul Garwin și a propus un experiment pentru a verifica încălcarea parității în decăderea mezonului π . În aceeași seară, cei doi au fugit la laboratoarele universității și au găsit un ciclotron pe care un student, Weinrich, își făcea teza. Așa că cei doi fizicieni au început să dezasambleze dispozitivul pentru a-l adapta la ideea pe care doreau să o realizeze.

Este faimoasă prima încercare în care au fost folosite instrumente improvizate pentru a strânge vremurile. Un borcan de cafea susținea o scândură de lemn, pe care se așeza un cilindru de plastic făcut dintr-o sticlă de suc de portocale. O cutie de Coca-Cola transformată într-un contor de electroni; totul a fost ținut împreună cu o bandă scotch obișnuită.

Primul test, la ora 2.00, a arătat de fapt încălcarea parității în decăderea beta a Cobalt-60. La scurt timp însă, cilindrul de plastic, pe care se înfășurau bobine metalice pentru a genera câmpul magnetic, s-a topit.

Cei doi au petrecut toată noaptea pregătind experimentul și la ora 6.00 erau gata să-și cheme colegii pentru a asista la fenomen. ^[1]

Notă

^(EN) Maeștri ai improvizației

Elemente conexe

CP de simetrie
Simetria CPT
Model standard al fizicii particulelor
Boson (fizică)
Meson
Vector boson
Boson vectorial axial
Pseudoscalare
Fizica particulelor)
Experimentul Wu , care a demonstrat neconservarea parității pentru forța slabă.

linkuri externe

Încălcarea CP, de II Bigi și AI Sanda ( ISBN 0-521-44349-0 )

Controlul autorității	LCCN (EN) sh85098092 · GND (DE) 4173359-9

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] (EN) Maeștri ai improvizației

[1]