No, The Laws Of Physics Are Not The Same Forwards And Backwards In Time

A ball in mid-bounce has its past and future trajectories determined by the laws of physics, but time will only flow into the future for us. While Newton’s laws of motion are the same whether you run the clock forwards or backwards in time, not all of the rules of physics behave identically if you run the clock forwards or backwards. (WIKIMEDIA COMMONS USERS MICHAELMAGGS AND (EDITED BY) RICHARD BARTZ)

No matter when, where, or what you are in the Universe, you experience time in only one direction: forwards. In our everyday experiences, clocks never run backwards; scrambled eggs never uncook and unscramble themselves; shattered glass never spontaneously reassembles itself. But if you were to look at the laws of physics that govern the way the Universe works ⁠ — from Newton’s laws of motion down to the quantum physics of subatomic particles ⁠ — you’d find something peculiar and unexpected: the rules are exactly the same whether time runs forwards or backwards.

This corresponds to a certain symmetry of nature: T-symmetry, or time-reversal invariance. Our everyday experience indicates to us, quite strongly, that the laws of physics must violate this symmetry, but for decades, we couldn’t demonstrate it. But a few years ago, we experimentally proved the laws of physics are different depending on which direction time runs. Here’s how we know.

According to legend, the first experiment to show that all objects fell at the same rate, irrespective of mass, was performed by Galileo Galilei atop the Leaning Tower of Pisa. Any two objects dropped in a gravitational field, in the absence of (or neglecting) air resistance, will accelerate down to the ground at the same rate. This was later codified as part of Newton’s investigations into the matter. A ball dropped off of the tower and a ball thrown up from the bottom of the tower could have the same trajectory, as the laws of motion are the same regardless of the direction in which time flows. (GETTY IMAGES)

Imagine you and a friend decide to go to Pisa, with one of you standing atop the famous leaning tower and the other located down at the bottom. From the top, whoever throws a ball off the edge can easily predict where it will land down on the bottom. Yet if the person at the bottom were to throw the ball upwards with an equal-and-opposite velocity to the ball that just landed, it would arrive exactly at the location where the person at the top threw their ball from.

This is a situation where time-reversal invariance holds: where the T-symmetry is unbroken. Time reversal can be thought of the same way as motion reversal: if the rules are the same whether you run the clock forwards or backwards, there’s true T-symmetry. But if the rules are different when the clock runs backwards from when the clock runs forwards, the T-symmetry must be broken.

Different frames of reference, including different positions and motions, would see different laws of physics (and would disagree on reality) if a theory is not relativistically invariant. The fact that we have a symmetry under ‘boosts,’ or velocity transformations, tells us we have a conserved quantity: linear momentum. The fact that a theory is invariant under any sort of coordinate or velocity transformation is known as Lorentz invariance, and any Lorentz invariant symmetry conserves CPT symmetry. However, C, P, and T (as well as the combinations CP, CT, and PT) may all be violated individually.(WIKIMEDIA COMMONS USER KREA)

There are two very, very good (but indirect) reasons to believe that T-symmetry must be broken at some deep, fundamental level. The first is a proven theorem known as the CPT theorem. If you have a quantum field theory that obeys the rules of relativity ⁠ — i.e., is Lorentz invariant ⁠ — that theory must exhibit CPT-symmetry.

There are three symmetries that are both discrete and fundamental in the context of the Standard Model of particle physics:

  • C-symmetry, which demands that you replace all particles with their antiparticles,
  • P-symmetry, which demands that you replace all particles with their mirror-image reflections, and
  • T-symmetry, which demands that you run the laws of physics backwards in time instead of forwards.

Changing particles for antiparticles and reflecting them in a mirror simultaneously represents CP symmetry. If the anti-mirror decays are different from the normal decays, CP is violated. Time reversal symmetry, known as T, must beviolated if CP is violated. The combined symmetries of C, P, and T, all together, must be conserved under our present laws of physics, with implications for the types of interactions that are and aren’t allowed. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

The CPT theorem tells us that the combination of all three symmetries must always be preserved. In other words, a spinning particle moving forwards in time must obey the same rules as its antiparticle spinning in the opposite direction moving backwards in time. If C-symmetry is violated, then PT-symmetry must also be violated by an equal amount to keep the combination conserved. As CP-symmetry violation has already been observed (dating back to 1964), we know that T-symmetry must be violated as well.

The second reason is that we live in a Universe where there’s more matter than antimatter, but the laws of physics we know are completely symmetric between matter and antimatter.

If you create new particles (such as the X and Y here) with antiparticle counterparts, they must conserve CPT, but not necessarily C, P, T, or CP by themselves. If CP is violated, the decay pathways — or the percentage of particles decaying one way versus another — can be different for particles compared to antiparticles, resulting in a net production of matter over antimatter if the conditions are right. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

It’s true that there must necessarily be additional physics to what we’ve observed to explain this asymmetry, but there are significant restrictions on the types of new physics that can cause it. They were elucidated by Andrei Sakharov in 1967, who noted:

  1. The Universe must be in an out-of-equilibrium state.
  2. Both C-symmetry and CP-symmetry must be violated.
  3. And baryon number-violating interactions must occur.

Even if we hadn’t observed CP-violating interactions directly, we’d have known that they must occur in order to create a Universe that’s consistent with what we observe. And therefore, since again T-violation is necessarily implied by CP-violation, T-symmetry cannot always hold true.

The rate of orbital decay of a binary pulsar is highly dependent on the speed of gravity and the orbital parameters of the binary system. We have used binary pulsar data to constrain the speed of gravity to be equal to the speed of light to a precision of 99.8%, and to infer the existence of gravitational waves decades before LIGO and Virgo detected them. However, the direct detection of gravitational waves was a vital part of the scientific process, and the existence of gravitational waves would still be in doubt without it. (NASA (L), MAX PLANCK INSTITUTE FOR RADIO ASTRONOMY / MICHAEL KRAMER (R))

But there’s an enormous difference, in any science, between either theoretical or indirect evidence for a phenomenon and a direct observation or measurement of the desired effect. Even in instances where you know what the outcome must be, experimental verification must be demanded, or we run the risk of fooling ourselves.

This is true in any area of physics. Sure, we knew by watching the timing of binary pulsars that their orbits were decaying, but only with the direct detection of gravitational waves could we be certain that’s how the energy was being carried away. We knew that event horizons must exist around black holes, but only by directly imaging them did we confirm this prediction of theoretical physics. And we knew that the Higgs boson must exist to make the Standard Model consistent, but only by discovering its unambiguous signatures at the LHC did we confirm it.

The first robust, 5-sigma detection of the Higgs boson was announced a few years ago by both the CMS and ATLAS collaborations. But the Higgs boson doesn’t make a single ‘spike’ in the data, but rather a spread-out bump, due to its inherent uncertainty in mass. Its mass of 125 GeV/c² is a puzzle for theoretical physics, but experimentalists need not worry: it exists, we can create it, and now we can measure and study its properties as well. (THE CMS COLLABORATION, “OBSERVATION OF THE DIPHOTON DECAY OF THE HIGGS BOSON AND MEASUREMENT OF ITS PROPERTIES”, (2014))

In order to directly, experimentally confirm the existence of T-violation, scientists had to be incredibly clever. What one must do is design an experiment where the laws of physics could be directly tested for differences between an experiment that runs forwards in time versus one that runs backwards. And since — in the real world — time only runs forwards, this required some truly creative thinking.

The way to think about this is to remember how entangled quantum states work. If you have two quantum particles that are entangled with one another, you know something about their combined properties, but their individual properties are indeterminate until you make a measurement. Measuring the quantum state of one particle will give you some information about the other one, and will give it to you instantaneously, but you cannot know anything about either individual particle until that critical measurement occurs.

If two particles are entangled, they have complementary wavefunction properties, and measuring one determines properties of the other. If you create two entangled particles or systems, however, and measure how one decays before the other decays, you should be able to measure the time-reversed reaction to test for T-symmetry conservation or violation. (WIKIMEDIA COMMONS USER DAVID KORYAGIN)

Typically, when we think about quantum entanglement of two particles, we perform experiments involving stable particles, like photons or electrons. But there’s only one type of physics process where CP-violation is known to occur: through decays that proceed through the weak nuclear interaction. In fact, this direct type of CP-violation was observed in 1999, and by the CPT theorem, T-violation must occur. Therefore, if we want to test for direct violation of time reversal symmetry, we’d have to create particles where T-violation occurs, which means creating either baryons or mesons (unstable composite particles) that decay via the weak interactions.

These two properties, of quantum indeterminism and of a decay through the weak interactions, can be leveraged to design the exact type of experiment required to test for the direct violation of T-symmetry.

B mesons can decay directly into a J/Ψ (psi) particle and a Φ (phi) particle. The CDF scientists found evidence that some B mesons unexpectedly decay into an intermediate tetraquark structure identified as a Y particle, where the tetraquark consists of two quarks and two antiquarks. When a composite system, such as the Y particle, decays into two states that have different values for their CP properties, they must have different properties for their T properties as well, allowing scientists to create an experiment that can test for T-violation directly. (SYMMETRY MAGAZINE)

The way to go about testing time reversal violation directly first proposed only recently, as the technology to produce large numbers of particles that contain bottom (b) quarks has only come about in the past few years. The ϒ particle (the Greek letter Upsilon) is the classic example of a particle containing bottom quarks, as it’s actually a meson made of a bottom quark and a bottom antiquark pair.

Like most composite particles, there are many different energy states and configurations it can exist in, similar to how the hydrogen atom exhibits a variety of possible energy states for the electron to be in. In particular, it was suggested that the 4s energy state holds some special properties, and might be the best candidate for observing T-symmetry violation directly.

In an atomic system, each s orbital (red), each of the p orbitals (yellow), the d orbitals (blue) and the f orbitals (green) can contain only two electrons apiece: one spin up and one spin down in each one. In a nuclear system, even in a meson which has just a quark and antiquark, similar orbitals (and energy states) exist. In particular, the 4s state of the Upsilon (ϒ) particle has particularly interesting properties, and was created hundreds of millions of times for the BaBar collaboration at SLAC. (LIBRETEXTS LIBRARY / NSF / UC DAVIS)

The reason? The ϒ(4s) particle, when you create one, decays into into both a neutral B-meson (with a down quark and an anti-bottom quark) and a neutral anti-B-meson (with a bottom quark and an anti-down quark) about 48% of the time. At an electron-positron collider, you have the freedom to tune your collisions to occur at the exact energy needed to create a ϒ(4s) particle, meaning that you can create enormous numbers of B-mesons and anti-B-mesons for all your particle physics needs.

Each meson, either a B or an anti-B, can decay in a few possible ways. Either you can produce:

  • a J/ψ (charm-anticharm) particle and a long-lived Kaon,
  • a J/ψ particle and a short-lived Kaon,
  • or a charged lepton and other particles.

This is interesting, because the first decay has a known value of CP, the second has a known value for CP that’s opposite to the first, and the third decay identifies whether it’s a B or anti-B by virtue of the sign of the charge on the lepton. (A positively-charged anti-lepton indicates a B decay; a negatively-charged lepton indicates an anti-B decay.)

A setup of the system used by the BaBar collaboration to probe time-reversal symmetry violation directly. The ϒ(4s) particle was created, it decays into two mesons (which can be a B/anti-B combination), and then both of those B and anti-B mesons will decay. If the laws of physics are not time-reversal invariant, the different decays in a specific order will exhibit different properties. This was confirmed in 2012. (APS / ALAN STONEBREAKER)

When one member of the B/anti-B pair decays into a J/ψ and a Kaon and the other member decays into a lepton, this gives us the opportunity to test for time-reversal violation. Because these two particles, the B and the anti-B, are both unstable, their decay times are only known in terms of their half-lives: decays don’t occur all at once, but at random times with a known probability.

Then, you’ll want to make the following measurements:

  1. If the first meson to decay does so into a positively charged lepton, you know that the second must be an anti-B particle.
  2. You then measure the decay of the anti-B particle, and see how many of them give you a decay into a short-lived Kaon.
  3. Then, you look for events where the order of decays is reversed and the initial and final states are exchanged, i.e., where the first meson decays into a long-lived Kaon and is followed by the second one decaying into a negatively-charged lepton.

This is a direct test of time-reversal violation. If the two event rates are unequal, the T-symmetry is broken.

There are four independent time-reversal-violating asymmetries in the decaying ϒ(4s) system, corresponding to decays into charged leptons and charm quark-antiquark combinations. The dashed blue curve represents the best fit to the BaBar data without T-violation; you can see how absurdly bad it is. The red curve represents the best-fit data with T-violation. Based on this experiment, direct T-violation is supported at the 14-sigma level. (J. P. LEES ET AL. (THE BABAR COLLABORATION), PHYS. REV. LETT. 109, 211801 (2012))

It took the creation of over 400 million ϒ(4s) particles to detect time-reversal violation directly, and this was accomplished by the BaBar collaboration back in 2012. The test for the reversal of initial and final entangled states is, to date, the only direct test ever performed to see if T-symmetry is conserved or violated in a direct fashion. Just as anticipated, the weak interactions violate this T-symmetry, proving that the laws of physics are not identical whether time runs forwards or backwards.

In particle physics, the gold standard for experimental significance is a threshold of 5-sigma. Yet BaBar physicists achieved a significance of 14-sigma: a remarkable accomplishment. The reason you’ve likely never heard about it? It was overshadowed by slightly bigger particle physics news occurring in the same year: the discovery of the Higgs boson. But this result maybe Nobel-worthy, too. The laws of nature are not the same forwards and backwards in time. After seven years, it’s time the world felt the impact of this discovery.

Universe Today

Indiferent când, unde, sau ce vă existați în Univers, veți experimenta timpul într-o singură direcție: înainte. În experiențele noastre de zi cu zi, ceasurile nu merg niciodată înapoi; ouăle din omletă nu se desprind și  se recompun; sticla sparta nu se reasamblează spontan. Dar dacă ar trebui să te uiți la legile fizicii care guvernează modul în care funcționează Universul – din legile lui Newton de mișcare până la fizica cuantică a particulelor subatomice – vei găsi ceva ciudat și neașteptat: regulile sunt exact la fel dacă timpul curge înainte sau înapoi.
Aceasta corespunde unei anumite simetrii a naturii: simetria T sau invarianța de inversare a timpului. Experiența noastră de zi cu zi ne indică, destul de puternic, că legile fizicii trebuie să încalce această simetrie, dar de zeci de ani nu am putut demonstra acest lucru. Dar, cu câțiva ani în urmă, am demonstrat experimental că legile fizicii sunt diferite în funcție de ce direcție se petrece timpul. Iată cum știm.

Foto-Potrivit legendei, primul experiment care arată că toate obiectele au căzut la aceeași rată, indiferent de masă, a fost realizat de Galileo Galilei din vârful Turnului Înclinat din Pisa. Oricare două obiecte care au căzut într-un câmp gravitațional, în absența (sau neglijarea) rezistenței la aer, vor accelera până la sol la aceeași rată. Acest lucru a fost ulterior codificat ca parte a investigațiilor lui Newton în materie. O minge a coborât din turn și o minge aruncată de pe fundul turnului ar putea avea aceeași traiectorie, așa cum legile mișcării sunt aceleași indiferent de direcția în care curge timpul. (IMAGINI GETTY)

Imaginați-vă că împreună cu un prieten decideți să mergeți la Pisa, iar unul dintre voi este aflat pe vârful celebrului turn înclinat, iar celălalt  jos. Din partea de sus, oricine aruncă o minge de la margine poate prezice cu ușurință unde va ajunge jos. Cu toate acestea, dacă persoana de jos ar arunca mingea în sus cu o viteză egală și opusă mingii care tocmai a aterizat, ar ajunge exact la locul în care persoana de la vârf a aruncat mingea.
Aceasta este o situație în care invarianța de inversare a timpului se află: unde simetria T este neîntreruptă. Inversarea timpului poate fi gândită în același mod ca inversarea mișcării: dacă regulile sunt aceleași, indiferent dacă rulați ceasul înainte sau înapoi, există adevărată simetrie T. Dar dacă regulile sunt diferite atunci când ceasul rulează înapoi din momentul în care ceasul rulează înainte, simetria T trebuie să fie întreruptă.

Foto – Diferite cadre de referință, inclusiv poziții și mișcări diferite, unde se pot vedea diferite legi ale fizicii (și ar fi de acord cu privire la realitate) dacă o teorie nu este invariabil relativistă. Faptul că avem o simetrie sub „amplificări” sau transformări de viteză ne spune că avem o cantitate conservată: impuls liniar. Faptul că o teorie este invariantă sub orice formă de transformare de coordonate sau de viteză este cunoscută ca invarianța Lorentz, iar orice simetrie invariantă Lorentz conservă simetria CPT. Cu toate acestea, C, P și T (precum și combinațiile CP, CT și PT) pot fi toate încălcate individual. (WIKIMEDIA COMMONS USER KREA)

Există două motive foarte, foarte bune (dar indirecte) de a crede că simetria T trebuie ruptă la un nivel profund și fundamental. Prima este o teoremă cunoscută ca teorema CPT. Dacă aveți o teorie a câmpului cuantic care respectă regulile relativității ⁠ – adică este Lorentz invariantă ⁠ – acea teorie trebuie să prezinte simetria CPT.
Există trei simetrii care sunt atât discrete cât și fundamentale în contextul modelului standard al fizicii particulelor:
C-simetrie, care cere să înlocuiți toate particulele cu antiparticulele lor,
P-simetrie, care cere să înlocuiți toate particulele cu reflecțiile lor de oglindă-imagine, și
T-simetrie, care cere ca tu să conduci legile fizicii înapoi în timp, în loc de înainte.

Foto-Schimbarea particulelor pentru antiparticule și reflectarea acestora într-o oglindă reprezintă simultan simetria CP. Dacă dezintegrările anti-oglindă diferă de dezintegrarea normală, CP este încălcată. Simetria de inversare a timpului, cunoscută sub numele de T, trebuie să fie corectată dacă CP este încălcat. Simetriile combinate dintre C, P și T, toate împreună, trebuie să fie conservate conform legilor actuale ale fizicii, cu implicații pentru tipurile de interacțiuni care sunt și nu sunt permise. (E. SIEGEL / DINTRE GALAXIE)
Teorema CPT ne spune că combinația tuturor celor trei simetrii trebuie păstrată întotdeauna. Cu alte cuvinte, o particulă care se rotește înainte în timp trebuie să respecte aceleași reguli ca și antiparticula sa care se rotește în direcția opusă, în mișcare înapoi în timp. Dacă este încălcată simetria C, atunci simetria PT trebuie să fie încălcată cu o sumă egală pentru a menține combinația conservată. Deoarece încălcarea simetriei CP a fost deja observată (datând din 1964), știm că trebuie să fie încălcat și simetria T.
Al doilea motiv este că trăim într-un Univers unde există mai multă problemă decât antimateria, dar legile fizicii pe care le cunoaștem sunt complet simetrice între materie și antimaterie.

Foto-Dacă creați particule noi (cum ar fi X și Y aici) cu omologii, trebuie să conservați CPT, dar nu neapărat C, P, T sau CP singuri. Dacă CP este încălcată, căile de dezintegrare – sau procentul de particule care se distrug într-o direcție față de alta – pot fi diferite pentru particule în comparație cu antiparticulele, ducând la o producție netă de materie peste antimaterie dacă condițiile sunt corecte. (E. SIEGEL / DINTRE GALAXIE)
Este adevărat că trebuie să existe în mod necesar o fizică suplimentară la ceea ce am observat pentru a explica această asimetrie, dar există restricții semnificative asupra tipurilor de fizică nouă care o pot provoca. Ele au fost elucidate de Andrei Saharov în 1967, care a remarcat:
Universul trebuie să fie într-o stare de echilibru.
Atât simetria C cât și simetria CP trebuie încălcate.
Trebuie să se producă interacțiuni care încalcă numărul baryonului.
Chiar dacă nu ar fi observat direct interacțiunile care încalcă CP, am fi știut că trebuie să apară pentru a crea un univers care să fie în concordanță cu ceea ce observăm. Și, prin urmare, din moment ce violarea T este obligatoriu impusă de încălcarea CP, simetria T nu poate fi întotdeauna adevărată.

Foto-Rata decăderii orbitale a unui pulsar binar este în mare măsură dependentă de viteza gravitației și de parametrii orbitali ai sistemului binar. Am folosit date pulsare binare pentru a constrânge viteza gravitației să fie egală cu viteza luminii la o precizie de 99,8% și să deducem existența undelor gravitaționale cu decenii înainte ca LIGO și Fecioara să le detecteze. Cu toate acestea, detectarea directă a undelor gravitationale a fost o parte vitală a procesului științific, iar existența undelor gravitaționale ar fi în continuare îndoieli fără ea. (NASA (L), INSTITUTUL MAX PLANCK PENTRU RADIO ASTRONOMIE / MICHAEL KRAMER (R))

Dar există o diferență enormă, în orice știință, între dovezile teoretice sau indirecte pentru un fenomen și o observație directă sau măsurarea efectului dorit. Chiar și în situațiile în care știi care este rezultatul trebuie să fie cerută verificarea experimentală sau riscul de a ne păcăli pe noi înșine.
Acest lucru este valabil în orice domeniu al fizicii. Desigur, am știut, urmărind momentul în care pulsatorii binari au căzut orbitele lor, dar numai cu detectarea directă a undelor gravitaționale putem fi siguri că energia a fost îndepărtată. Știam că orizonturile evenimentului trebuie să existe în jurul găurilor negre, dar numai prin imaginarea directă a acestora am confirmat această predicție a fizicii teoretice. Și am știut că bosonul Higgs trebuie să existe pentru a face modelul standard consistent, dar numai prin descoperirea semnelor sale lipsite de ambiguitate la LHC am confirmat-o.

Foto-Prima detectare robustă, de 5 sigma a bosonului Higgs, a fost anunțată acum câțiva ani de colaborările CMS și ATLAS. Dar bosonul Higgs nu face un singur „spike” în date, ci mai degrabă o ciocnire împrăștiată, datorită incertitudinii sale inerente în masă. Masa sa de 125 GeV / c² este un puzzle pentru fizica teoretică, dar experimentaliștii nu trebuie să ne îngrijoreze: există, putem să-l creăm și acum putem măsura și studia și proprietățile sale. (COLABORAREA CMS, „OBSERVAREA DECATULUI DIPHOTON AL BOSONULUI HIGGS ȘI MĂSURAREA PROPRIETĂȚILOR SALE”, (2014))

Pentru a confirma direct, experimental existența încălcării T, oamenii de știință trebuiau să fie incredibil de inteligenți. Ceea ce trebuie făcut este să proiectăm un experiment în care legile fizicii ar putea fi testate direct pentru diferențele dintre un experiment care merge mai departe în timp, față de unul care merge înapoi. Și din moment ce – în lumea reală – timpul merge doar înainte, acest lucru necesită o gândire cu adevărat creatoare.
Modul de a ne gândi la acest lucru este să ne amintim cum funcționează statele cuantice încurcate. Dacă aveți două particule cuantice care sunt încurcate unul cu altul, știți ceva despre proprietățile lor combinate, dar proprietățile lor individuale sunt nedeterminate până când faceți o măsurătoare. Măsurarea stării cuantice a unei particule vă va oferi câteva informații despre cealaltă și vă va da instantaneu, dar nu puteți ști nimic despre nici o particulă individuală până când nu are loc măsurarea critică.

Foto-Dacă două particule sunt încurcate, ele au proprietăți funcționale complementare, iar măsurarea determină proprietățile celuilalt. Dacă creați două particule sau sisteme încurcate și măsurați modul în care unul se descompune înaintea celuilalt, ar trebui să puteți măsura reacția în timp inversă pentru a testa conservarea sau încălcarea simetriei T. (WIKIMEDIA COMUNE USER DAVID KORYAGIN)

În mod tipic, când ne gândim la bruiajul cuantic a două particule, efectuăm experimente care implică particule stabile, cum ar fi fotoni sau electroni. Dar există un singur tip de proces fizic în care este cunoscută încălcarea CP: prin descreșteri care se desfășoară prin interacțiunea nucleară slabă. De fapt, acest tip direct de încălcare a CP a fost observat în 1999, iar prin teorema CPT, trebuie să se producă încălcarea T. Prin urmare, dacă vrem să testeze pentru încălcarea directă a simetriei de inversare a timpului, ar trebui să creăm particule în care are loc încălcarea T, ceea ce înseamnă crearea fie a baryonilor, fie a mezonilor (particule compuse instabile) care se distrug prin interacțiunile slabe.
Aceste două proprietăți, de indeterminism cuantic și de o descompunere prin interacțiunile slabe, pot fi utilizate pentru a proiecta exact tipul de experiment necesar pentru a testa încălcarea directă a simetriei T.

Foto-B-mezonii se pot deteriora direct într-o particulă J / Ψ (psi) și o particulă Φ (phi). Oamenii de știință din CDF au descoperit dovezi că unii mezonii B se deteriorează în mod neașteptat într-o structură intermediară tetraquark identificată ca o particulă Y, unde tetraquark constă din două cuarci și două antiquarks. Când un sistem compozit, cum ar fi particula Y, se descompune în două stări care au valori diferite pentru proprietățile CP, ele trebuie să aibă proprietăți diferite și pentru proprietățile T, permițând oamenilor de știință să creeze un experiment care să poată testa direct încălcarea T . (SYMMETRY MAGAZINE)
Modalitatea de a examina încălcarea inversării timpului a fost propusă inițial abia recent, deoarece tehnologia de a produce un număr mare de particule care conțin quarks de jos (b) a avut loc numai în ultimii ani. Partea Y (litera grecească Upsilon) este exemplul clasic al unei particule care conține quark-uri de fund, deoarece este de fapt un mezon alcătuit dintr-un quark de fund și o pereche antiquark de fund.
Ca majoritatea particulelor compozite, există multe stări de energie diferite și configurații în care poate exista, similar cu modul în care atomul de hidrogen prezintă o varietate de stări de energie posibile pentru ca electronul să fie înăuntru. În particular, sa sugerat că starea energiei 4s unele proprietăți speciale și ar putea fi cel mai bun candidat pentru observarea directă a încălcării simetriei T.

Foto-Într-un sistem atomic, each s orbital (red), each of the p orbitals (yellow), the d orbitals (blue) and the f orbitals (green) pot conține numai doi electroni: un spin și un spin în fiecare unu. Într-un sistem nuclear, chiar și într-un mezon care are doar un quark și un antiquark, există orbite similare (și stări energetice). În particular, starea 4s a particulei Upsilon (Υ) are proprietăți deosebit de interesante și a fost creată de sute de milioane de ori pentru colaborarea cu BaBar la SLAC. (LIBRARE LIBRETEXT / NSF / UC DAVIS)
Motivul? Partea Y (4s), atunci când creați una, se descompune atât într-un mezon neutru B (cu un quark jos și un quark anti-jos) și un mezon neutru anti-B (cu un quark de fund și un anti- jos quark) aproximativ 48% din timp. La un collider cu electroni-pozitroni, aveți libertatea de a vă adapta coliziunile la energia exactă necesară pentru a crea o particulă Y (4s), ceea ce înseamnă că puteți crea un număr enorm de mezoni B și mezoni anti-B pentru toți fizica particulelor are nevoie.
Fiecare mezon, fie un B sau un anti-B, se poate descompune în câteva moduri posibile. Fie puteți produce:
o particulă J / ψ (charm-anticharm) și un Kaon cu durată lungă de viață,
o particulă J / ψ și un Kaon de scurtă durată,
sau un lepton încărcat și alte particule.
Acest lucru este interesant, deoarece prima decădere are o valoare cunoscută de CP, cea de-a doua are o valoare cunoscută pentru CP care este opusă primei, iar a treia decădere identifică dacă este B sau anti-B în virtutea semnului de încărcare pe lepton. (Un anti-lepton încărcat pozitiv indică o descompunere B, un lepton încărcat negativ indică o descompunere anti-B).

Foto-O configurare a sistemului utilizat de colaborarea BaBar pentru a verifica direct încălcarea simetriei de inversare a timpului. Partea Y (4s) a fost creată, se descompune în două mezone (care poate fi o combinație B / anti-B) și apoi ambii B și mezonii anti-B se vor deteriora. Dacă legile fizicii nu sunt invariabile în inversarea timpului, diferențele diferite într-o anumită ordine vor prezenta proprietăți diferite. Acest lucru a fost confirmat în 2012. (APS / ALAN STONEBREAKER)
Atunci când un membru al perechii B / anti-B se descompune într-un J / ψ și un Kaon, iar celălalt membru se descompune într-un lepton, acest lucru ne oferă posibilitatea de a testa pentru încălcarea timpului-inversare. Deoarece aceste două particule, B și anti-B, sunt ambele instabile, timpii lor de dezintegrare sunt cunoscuți doar în termenii perioadelor de înjumătățire: dezintegrările nu apar tot o dată, ci în momente aleatorii cu o probabilitate cunoscută.
Apoi, veți dori să efectuați următoarele măsurători:
Dacă primul mezon care se descompune într-un lepton pozitiv încărcat, știți că al doilea trebuie să fie o particulă anti-B.
Apoi măsurați descompunerea particulei anti-B și vedeți câte dintre ele vă dau o descompunere într-un Kaon de scurtă durată.

Apoi, căutați evenimente în care ordinea descompunerilor este inversată și se schimbă stările inițiale și finale, adică unde primul mezon se descompune într-un Kaon cu durată lungă de viață și este urmat de cel de-al doilea care se descompune într-un lepton încărcat negativ.
Acesta este un test direct al încălcării timp-inversare. Dacă cele două rate ale evenimentelor sunt inegale, simetria T este întreruptă.

Foto-Există patru asimetrii independente de inversarea timpului de întârziere în sistemul de degradare Y (4s), corespunzând dezintegrărilor în leptonele încărcate și combinațiile farmec quark-antiquark. Curba albastră punctată reprezintă cea mai bună potrivire a datelor BaBar fără încălcarea T; puteți vedea cât de absurd este rău. Curba roșie reprezintă datele cele mai potrivite cu încălcarea T. Pe baza acestui experiment, încălcarea directă a T este suportată la nivelul de 14 sigmați. (J. P. LEES ET AL. (COLABORAREA BABAR), PHYS. REV. LETT. 109, 211801 (2012))
A fost nevoie de crearea a peste 400 de milioane de particule Y (4s) pentru a detecta direct încălcarea inversă a timpului, iar acest lucru a fost realizat prin colaborarea cu BaBar în 2012. Testul pentru inversarea statelor inițiale și finale este, până în prezent, doar testul direct realizat vreodată pentru a vedea dacă simetria T este conservată sau încălcată în mod direct. Asa cum era de așteptat, interacțiunile slabe încalcă aceasta simetrie T, dovedind ca legile fizicii nu sunt identice dacă timpul merge înainte sau înapoi.
În fizica particulelor, standardul de aur pentru semnificație experimentală este un prag de 5-sigma. Cu toate acestea, fizicienii BaBar au obținut o semnificație de 14-sigma: o realizare remarcabilă. Motivul pentru care probabil nu ați auzit niciodată despre asta? A fost umbrită de știrile despre fizica particulelor ceva mai mari care au avut loc în același an: descoperirea bosonului Higgs. Dar ar putea să se transforme într-un nobil premiu Nobel. Legile naturii nu sunt aceleași înainte și înapoi în timp. După șapte ani, este timpul ca lumea să simtă impactul acestei descoperiri.



Lasă un răspuns

Completează mai jos detaliile tale sau dă clic pe un icon pentru a te autentifica:


Comentezi folosind contul tău Dezautentificare /  Schimbă )

Fotografie Google

Comentezi folosind contul tău Google. Dezautentificare /  Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare /  Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare /  Schimbă )

Conectare la %s