Fizik

CPT Simetrisi: Evrenin Asla İhlal Etmemesi Gereken Tek Simetri

Fizik yasalarının evrensel olarak uygulanması gerekir. Aynı kurallar her zaman farklı konumlardaki tüm parçacıklar ve alanlar için geçerli olmalıdır. Hangi koşullar mevcut olursa olsun veya hangi deneyleri yaparsak yapalım, teorik tahminlerimiz ölçülen sonuçlarla eşleşmesini sağlamalıdır. Başarılı fizik teorilerinden bir tanesi, parçacıklar arasında meydana gelen temel etkileşimlerin her birini tanımlayan kuantum alan teorileridir. Diğeri ise elbette Uzay-zaman ve yerçekimini tanımlayan Genel Göreliliktir. Ayrıca bir de tüm fiziksel fenomenler için geçerli olan bir temel simetri vardır: CPT simetrisi. Ve yaklaşık 70 yıldır, onu ihlal etmemizi yasaklayan teoremi biliyoruz.

Çoğumuz simetri kelimesini duyduğumuzda, bir şeyin aynada yansıması sonucunda oluşan simetriyi anlarız. Örneğin aşağıdaki harfler farklı eksenlere göre simetriktir. Ama simetrinin başka türleri de var. Yatay bir çizginiz varsa ve yatay olarak kaydırırsanız, aynı yatay çizgi olarak kalır: bu öteleme simetrisidir.

Alfabenin belirli simetrileri sergileyen birçok harfi vardır. Parite (veya P-simetrisi) olarak bilinen bu ‘ayna’ simetrisinin, test edilen her yerde tüm güçlü, elektromanyetik ve yerçekimi etkileşimleri için geçerli olduğu doğrulanmıştır. Bununla birlikte, zayıf etkileşimler bir Parite ihlali olasılığı olduğunu gösterdi. Bunun keşfi 1957 yılında Nobel Fizik Ödülü ile sonuçlandı.

Doğanın nasıl işlediğini anlama yöntemlerimizden birisi de simetri yaklaşımıdır. Fiziksel sistemlerin incelenmesinde kullanılan korunum yasaları ve değişmez kavramları simetri gruplarının bir getirisidir. Matematiksel bir sistemin yalnızca belirli dönüşümler altında orijinal haliyle aynı durumda olduğu simetri dönüşümlerine ayrık simetri denir. Parite (P), yük eşlenimi (C) ve zamanın tersine çevrilmesi (T) isimli üç simetri türü ve bunların olası ihlalleri ayrık simetri çeşitlerindendir. CPT harflerinin her biri (gerçek veya varsayımsal) bir ters çevirme biçimini simgeler.

CPT Simetrisi Nedir?

Standart Modelin parçacıkları ve karşıt parçacıkları her türlü koruma yasasına uyar, ancak bazı parçacık / karşı parçacık çiftlerinin davranışları arasında, baryojenezin kökeninin ipuçları olabilecek küçük farklılıklar vardır.
 
  • Parite (P) : Bu simetri, her parçacığı, etkileşimi ve bozunmayı ayna görüntüsü karşılığı ile değiştirir. Kuantum mekaniğinde, parite, uzaysal koordinatların orijinal koordinatlara göre ters işaretli olanıdır.
  • Yük konjugasyonu (C-simetrisi): Her yüklü parçacığın karşılık gelen karşı parçacığı için zıt bir yükü (elektrik, renk yükü veya diğer kuvvetlerle ilişkili yük durumları gibi) vardır.  Bu simetri, bir sistemdeki bütün parçacıkların anti parçacık karşılığı ile değiştirilmesi ile ilgilidir.
  • T-simetrisi: Zamanın ileri ya da geri akması durumunda parçacıkların etkileşimlerini etkileyen fizik kanunlarının aynı şekilde davranacağını ileri sürer.

1956’ya dek fizikçiler T değişmezliği, C değişmezliği ve P değiş­mezliğinin birbirlerinden ayrı olarak geçerli yasalar oldukları­na inanıyorlardı. Hiçbir fizik deneyinin sağ ya da sol elden birini tercih etmeyeceği kabul ediliyordu. Ayrıca doğanın tersine dönme veya ayna simetrisine göre çalıştığı düşünülüyordu. Ancak o yıllarda yüksek enerji fiziğinde bilinen teorilerle açıklanamayan fenomenler bulundu.

CPT Simetrisinde İhlaller

Bazı parçacıklar, antiparçacıklarından temel olarak farklıdır ve C-simetrisini ihlal eder. Örneğin Nötrinolar her zaman hareket halindedirler. Sol elin başparmağı nötrinonun hareketinin yönünü tarif ediyorsa, sol eldeki bükülü parmaklar nötrinonun spin yönünü gösterir. Ancak antinötrinolar ise her zaman aynı şekilde sağ tarafa doğru hareket eder.

Bazı bozunmalar pariteyi ihlal eder. Bir yönde dönen ve sonra bozunan kararsız bir parçacığınız varsa, bozunma ürünleri dönüşle hizalı veya hizasız olabilir. Kararsız parçacık, bozunması için tercih edilen bir yönsellik sergiliyorsa, o zaman ayna görüntüsü bozunması, P-simetrisini ihlal ederek ters yönlülük sergileyecektir. Aynadaki parçacıkları karşıt parçacıklarla değiştirirseniz de CP-simetrisini test etmiş olursunuz.

Parçacıklar ve antiparçacıklar C, P veya CP simetrileri altında tam olarak aynı şekilde davranmıyorsa, bu simetrinin ihlal edildiği söylenir. 1960’larda, bu simetrilerin yerçekimi, elektromanyetik, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler altında nasıl çalıştıkları test edildi. Bunların sonucunda öğrendik ki zayıf kuvvetler C, P ve T simetrilerini ve bunların ikili (CP, PT ve CT) kombinasyonlarını ihlal etti. Ancak tüm temel etkileşimler, bu üç simetrinin birleşimine yani CPT simetrisine uyuyordu.

CPT Simetrisi Bize Ne Anlatır?

CPT simetrisi, zamanda ileri doğru hareket eden parçacıklardan oluşan herhangi bir fiziksel sistemin, zamanda geriye doğru hareket eden bir aynada yansıyan antiparçacıklardan yapılmış özdeş fiziksel sistemle aynı yasalara uyacağını söyler. CPT-Simetrisi bugün hala geçerliğini koruyan ve deneylerle henüz çürütülememiş bir simetri türüdür. Değişmez bir yasa gibi görünmektedir.

Parçacık fiziği deneyleri, CPT simetri ihlallerini araştırmak için onlarca yıldır çalışıyor. Şu ana kadar tek bir deneyde bile CPT simetrisiyle ilgili bir tutarsızlık ortaya çıkmadı. Bu iyi bir şey. Çünkü bu simetri kombinasyonunun ihlal edilmemesini talep eden bir teorem var. Bu Lorentz simetrisi. Lorentz simetrisi fizikte, fizik kurallarının Lorentz transformasyonları altında değişmezliğini gösteren simetridir. Eğer, CPT simetrisini ihlal ederseniz, Lorentz simetrisi de bozulur. Bu nedenle CPT simetrisi bildiğimiz fiziksel yasaları doğru olduğu sürece asla kırılmaması gereken tek simetridir.

Kaynaklar

  1. Discrete Symmetries; https://www.nikhef.nl/~jo/CP_course.pdf
  2. This Particle Breaks Time Symmetry; https://www.youtube.com/watch?v=yArprk0q9eE
  3. The Reversal of Parity Law in Nuclear Physics; https://www.nist.gov/
  4. This Is The One Symmetry That The Universe Must Never Violate; https://www.forbes.com/

Matematiksel

İrem Şalk

Çocukluğumda matematiğe ve lise ile birlikte ise fiziğe ilgi duymaya başladım. Şu an İTÜ-Fizik mühendisliği 4. Sınıf öğrencisiyim. Hayal etmeyi ve yeni şeyler keşfetmeyi sevmemin; doğa ve sanata olan düşkünlüğümün temelinde evrenin bu köşesinde anlamaya çalıştığımız doğa bilimlerini görüyorum. Bu yüzden, benim doğa da gördüğüm hayran bırakacak güzelliği, kaosu ve sadeliği, belirlenemez ve belirlenebilir davranışları imkanım olduğu kadar başkaları ile paylasabilmek için yazılar yazma kararı aldım. Hep birlikte yüzümüzü aydınlığa ve bilime dönebilmemiz umuduyla.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu