CP 대칭 깨짐 (CP Violation)
1. CP 위반의 발견
1964년 크로닌(Cronin)과 피치(Fitch)는 중성 K 메존 시스템에서 C P CP CP 대칭이 깨짐을 발견하였다. 이 발견은 입자물리학의 패러다임을 근본적으로 바꾸었다.
정의 4.1 CP 위반의 유형
CP 위반은 세 가지 유형으로 분류된다:
혼합에서의 CP 위반 (indirect CP violation): 중성 메존의 질량 고유상태가 CP 고유상태와 일치하지 않는 현상. 매개변수 ϵ \epsilon ϵ 으로 정량화.
붕괴에서의 CP 위반 (direct CP violation): 붕괴 진폭 자체에서 입자와 반입자의 비대칭이 발생하는 현상. 매개변수 ϵ ′ / ϵ \epsilon'/\epsilon ϵ ′ / ϵ 으로 정량화.
혼합과 붕괴의 간섭에서의 CP 위반: 중성 메존이 혼합을 거쳐 붕괴하는 경로와 직접 붕괴하는 경로 사이의 간섭. B B B 메존 물리의 핵심.
2. 중성 K 메존 시스템
정의 4.2 K^0 - K̄^0 혼합
K 0 K^0 K 0 (d s ˉ d\bar{s} d s ˉ )과 K ˉ 0 \bar{K}^0 K ˉ 0 (d ˉ s \bar{d}s d ˉ s )는 약한 상호작용을 통해 혼합된다. 이는 상자 다이어그램(box diagram)에 의해 2차 약한 상호작용으로 발생한다:
K 0 ↔ K ˉ 0 ( Δ S = 2 ) K^0 \leftrightarrow \bar{K}^0 \quad (\Delta S = 2) K 0 ↔ K ˉ 0 ( Δ S = 2 ) 유효 해밀토니안의 고유상태:
CP가 보존된다면 질량 고유상태는 CP 고유상태와 일치한다:
∣ K 1 ⟩ = 1 2 ( ∣ K 0 ⟩ − ∣ K ˉ 0 ⟩ ) , C P = + 1 |K_1\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|K^0\rangle - |\bar{K}^0\rangle), \quad CP = +1 ∣ K 1 ⟩ = 2 1 ( ∣ K 0 ⟩ − ∣ K ˉ 0 ⟩) , CP = + 1 ∣ K 2 ⟩ = 1 2 ( ∣ K 0 ⟩ + ∣ K ˉ 0 ⟩ ) , C P = − 1 |K_2\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|K^0\rangle + |\bar{K}^0\rangle), \quad CP = -1 ∣ K 2 ⟩ = 2 1 ( ∣ K 0 ⟩ + ∣ K ˉ 0 ⟩) , CP = − 1 그러나 CP가 깨지면 물리적 질량 고유상태 K S K_S K S (short-lived)와 K L K_L K L (long-lived)은:
∣ K S ⟩ = 1 1 + ∣ ϵ ∣ 2 ( ∣ K 1 ⟩ + ϵ ∣ K 2 ⟩ ) |K_S\rangle = \frac{1}{\sqrt{1+|\epsilon|^2}}(|K_1\rangle + \epsilon|K_2\rangle) ∣ K S ⟩ = 1 + ∣ ϵ ∣ 2 1 ( ∣ K 1 ⟩ + ϵ ∣ K 2 ⟩) ∣ K L ⟩ = 1 1 + ∣ ϵ ∣ 2 ( ∣ K 2 ⟩ + ϵ ∣ K 1 ⟩ ) |K_L\rangle = \frac{1}{\sqrt{1+|\epsilon|^2}}(|K_2\rangle + \epsilon|K_1\rangle) ∣ K L ⟩ = 1 + ∣ ϵ ∣ 2 1 ( ∣ K 2 ⟩ + ϵ ∣ K 1 ⟩) 여기서 ∣ ϵ ∣ ≈ 2.23 × 10 − 3 |\epsilon| \approx 2.23 \times 10^{-3} ∣ ϵ ∣ ≈ 2.23 × 1 0 − 3 이다.
3. 직접적 CP 위반
유도 직접적 CP 위반의 조건
붕괴 M → f M \to f M → f 와 CP 켤레 과정 M ˉ → f ˉ \bar{M} \to \bar{f} M ˉ → f ˉ 의 진폭이 다르면 직접적 CP 위반이 존재한다:
∣ A ( M → f ) ∣ ≠ ∣ A ˉ ( M ˉ → f ˉ ) ∣ |\mathcal{A}(M \to f)| \neq |\bar{\mathcal{A}}(\bar{M} \to \bar{f})| ∣ A ( M → f ) ∣ = ∣ A ˉ ( M ˉ → f ˉ ) ∣ 이를 위해서는 두 가지 조건이 필요하다:
두 개 이상의 간섭하는 진폭 (약한 위상 ϕ i \phi_i ϕ i 와 강한 위상 δ i \delta_i δ i 가 다른):
A = ∣ A 1 ∣ e i ( δ 1 + ϕ 1 ) + ∣ A 2 ∣ e i ( δ 2 + ϕ 2 ) \mathcal{A} = |A_1|e^{i(\delta_1 + \phi_1)} + |A_2|e^{i(\delta_2 + \phi_2)} A = ∣ A 1 ∣ e i ( δ 1 + ϕ 1 ) + ∣ A 2 ∣ e i ( δ 2 + ϕ 2 )
CP 변환 하에서 약한 위상은 부호가 바뀌지만 강한 위상은 불변:
A ˉ = ∣ A 1 ∣ e i ( δ 1 − ϕ 1 ) + ∣ A 2 ∣ e i ( δ 2 − ϕ 2 ) \bar{\mathcal{A}} = |A_1|e^{i(\delta_1 - \phi_1)} + |A_2|e^{i(\delta_2 - \phi_2)} A ˉ = ∣ A 1 ∣ e i ( δ 1 − ϕ 1 ) + ∣ A 2 ∣ e i ( δ 2 − ϕ 2 ) 비대칭:
∣ A ∣ 2 − ∣ A ˉ ∣ 2 = − 4 ∣ A 1 ∣ ∣ A 2 ∣ sin ( δ 1 − δ 2 ) sin ( ϕ 1 − ϕ 2 ) |\mathcal{A}|^2 - |\bar{\mathcal{A}}|^2 = -4|A_1||A_2|\sin(\delta_1 - \delta_2)\sin(\phi_1 - \phi_2) ∣ A ∣ 2 − ∣ A ˉ ∣ 2 = − 4∣ A 1 ∣∣ A 2 ∣ sin ( δ 1 − δ 2 ) sin ( ϕ 1 − ϕ 2 ) 따라서 약한 위상 차이 ( ϕ 1 − ϕ 2 ≠ 0 ) (\phi_1 - \phi_2 \neq 0) ( ϕ 1 − ϕ 2 = 0 ) 와 강한 위상 차이 ( δ 1 − δ 2 ≠ 0 ) (\delta_1 - \delta_2 \neq 0) ( δ 1 − δ 2 = 0 ) 가 모두 필요하다.
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K 메존 시스템에서 직접적 CP 위반은 ϵ ′ / ϵ ≠ 0 \epsilon'/\epsilon \neq 0 ϵ ′ / ϵ = 0 으로 나타난다. NA48(CERN)과 KTeV(페르미랩) 실험에 의해:
Re ( ϵ ′ / ϵ ) = ( 1.66 ± 0.23 ) × 10 − 3 \text{Re}(\epsilon'/\epsilon) = (1.66 \pm 0.23) \times 10^{-3} Re ( ϵ ′ / ϵ ) = ( 1.66 ± 0.23 ) × 1 0 − 3
이 측정은 CP 위반이 순전히 혼합에 의한 것이 아니라 붕괴 과정 자체에서도 발생함을 확인하였다.
4. B 메존에서의 CP 위반
B 메존 시스템은 CKM 메커니즘을 정밀하게 검증하는 핵심 실험 도구이다.
정의 4.3 B 메존 시간 의존 CP 비대칭
중성 B B B 메존이 C P CP CP 고유상태 f C P f_{CP} f CP 로 붕괴할 때, 시간 의존 CP 비대칭은:
A C P ( t ) = Γ ( B ˉ 0 ( t ) → f C P ) − Γ ( B 0 ( t ) → f C P ) Γ ( B ˉ 0 ( t ) → f C P ) + Γ ( B 0 ( t ) → f C P ) A_{CP}(t) = \frac{\Gamma(\bar{B}^0(t) \to f_{CP}) - \Gamma(B^0(t) \to f_{CP})}{\Gamma(\bar{B}^0(t) \to f_{CP}) + \Gamma(B^0(t) \to f_{CP})} A CP ( t ) = Γ ( B ˉ 0 ( t ) → f CP ) + Γ ( B 0 ( t ) → f CP ) Γ ( B ˉ 0 ( t ) → f CP ) − Γ ( B 0 ( t ) → f CP ) = S f sin ( Δ m d t ) − C f cos ( Δ m d t ) = S_f \sin(\Delta m_d\, t) - C_f \cos(\Delta m_d\, t) = S f sin ( Δ m d t ) − C f cos ( Δ m d t ) 여기서:
S f = 2 Im ( λ f ) 1 + ∣ λ f ∣ 2 S_f = \frac{2\,\text{Im}(\lambda_f)}{1 + |\lambda_f|^2} S f = 1 + ∣ λ f ∣ 2 2 Im ( λ f ) -- 혼합-붕괴 간섭 CP 위반
C f = 1 − ∣ λ f ∣ 2 1 + ∣ λ f ∣ 2 C_f = \frac{1 - |\lambda_f|^2}{1 + |\lambda_f|^2} C f = 1 + ∣ λ f ∣ 2 1 − ∣ λ f ∣ 2 -- 직접적 CP 위반
λ f = q p A ˉ f A f \lambda_f = \frac{q}{p}\frac{\bar{A}_f}{A_f} λ f = p q A f A ˉ f
Δ m d \Delta m_d Δ m d : B d 0 B_d^0 B d 0 -B ˉ d 0 \bar{B}_d^0 B ˉ d 0 혼합의 질량 차이
5. 물질-반물질 비대칭과 CP 위반
참고 바리온 생성과 CP 위반의 역할
관측 우주에서 물질이 반물질보다 압도적으로 많다. 이 비대칭의 크기는:
η B = n B − n B ˉ n γ ≈ 6.1 × 10 − 10 \eta_B = \frac{n_B - n_{\bar{B}}}{n_\gamma} \approx 6.1 \times 10^{-10} η B = n γ n B − n B ˉ ≈ 6.1 × 1 0 − 10 사하로프의 세 조건 중 CP 위반은 필수적이다. 그러나 CKM 메커니즘에 의한 CP 위반은 관측된 바리온 비대칭을 설명하기에 양적으로 불충분 하다:
η B CKM ∼ 10 − 18 ≪ η B obs ∼ 10 − 10 \eta_B^{\text{CKM}} \sim 10^{-18} \ll \eta_B^{\text{obs}} \sim 10^{-10} η B CKM ∼ 1 0 − 18 ≪ η B obs ∼ 1 0 − 10 이는 표준모형 너머에 추가적인 CP 위반 원천이 존재해야 함을 강력히 시사한다. 후보 메커니즘:
전약 바리온 생성 : 확장된 힉스 섹터의 CP 위반
렙톤 생성(leptogenesis) : 무거운 오른손잡이 뉴트리노의 붕괴에서의 CP 위반
아플렉-다인(Affleck-Dine) 메커니즘 : 초대칭 평탄 방향의 CP 위반 진동
6. D 메존과 참 섹터의 CP 위반
정의 4.4 D 메존 CP 위반
참 쿼크 섹터에서의 CP 위반은 CKM 행렬의 구조에 의해 매우 작을 것으로 예측된다. 이는 c c c 쿼크가 관여하는 CKM 원소들이 거의 실수이기 때문이다.
2019년 LHCb 실험은 D 0 D^0 D 0 붕괴에서 최초로 CP 위반을 관측하였다:
Δ A C P = A C P ( K + K − ) − A C P ( π + π − ) = ( − 15.4 ± 2.9 ) × 10 − 4 \Delta A_{CP} = A_{CP}(K^+K^-) - A_{CP}(\pi^+\pi^-) = (-15.4 \pm 2.9) \times 10^{-4} Δ A CP = A CP ( K + K − ) − A CP ( π + π − ) = ( − 15.4 ± 2.9 ) × 1 0 − 4 이 값은 통계적 유의도 5.3 σ 5.3\sigma 5.3 σ 로 0과 다르며, 참 섹터에서의 CP 위반의 최초 관측이다. 이 결과가 표준모형 내에서 설명 가능한지, 아니면 새로운 물리학의 신호인지는 아직 활발한 연구 주제이다. QCD의 장거리 효과(long-distance effects)에 대한 정밀한 이론 계산이 필요하다.
참고 강한 CP 문제
QCD 라그랑지안에는 원리적으로 CP를 위반하는 θ \theta θ -항이 존재할 수 있다:
L θ = θ g s 2 32 π 2 G μ ν a G ~ a μ ν \mathcal{L}_\theta = \frac{\theta\, g_s^2}{32\pi^2} G_{\mu\nu}^a \tilde{G}^{a\mu\nu} L θ = 32 π 2 θ g s 2 G μν a G ~ a μν 여기서 G ~ a μ ν = 1 2 ϵ μ ν ρ σ G ρ σ a \tilde{G}^{a\mu\nu} = \frac{1}{2}\epsilon^{\mu\nu\rho\sigma}G_{\rho\sigma}^a G ~ a μν = 2 1 ϵ μν ρ σ G ρ σ a 이다. 이 항은 중성자의 전기 쌍극자 모멘트에 기여한다:
∣ d n ∣ ∼ 10 − 16 θ e ⋅ cm |d_n| \sim 10^{-16}\,\theta\;\;e\cdot\text{cm} ∣ d n ∣ ∼ 1 0 − 16 θ e ⋅ cm 실험적 상한 ∣ d n ∣ < 1.8 × 10 − 26 e ⋅ cm |d_n| < 1.8 \times 10^{-26}\;e\cdot\text{cm} ∣ d n ∣ < 1.8 × 1 0 − 26 e ⋅ cm 으로부터 ∣ θ ∣ ≲ 10 − 10 |\theta| \lesssim 10^{-10} ∣ θ ∣ ≲ 1 0 − 10 이 요구된다. 왜 θ \theta θ 가 이토록 작은지는 강한 CP 문제 라 불리며, 펙세이-퀸(Peccei-Quinn) 대칭과 액시온 (axion)이 가장 유력한 해결책이다.