Vi phạm cp là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa vi phạm CP

Vi phạm CP (Charge–Parity violation) là hiện tượng vật lý trong đó các định luật không còn giữ nguyên khi đồng thời áp dụng hai phép biến đổi: nghịch đảo điện tích (C – charge conjugation) và phản chiếu gương (P – parity). Trong hệ tuân theo CP, hành vi của một phản hạt trong gương sẽ giống hệt hạt gốc trong không gian thật. Tuy nhiên, đã có những quan sát cho thấy điều này không đúng với một số tương tác nhất định.

Hiện tượng vi phạm CP cho thấy vũ trụ có thể phân biệt được giữa vật chất và phản vật chất. Điều này đặc biệt quan trọng trong vũ trụ học vì nó có thể giải thích sự chênh lệch vật chất–phản vật chất quan sát được ngày nay. Nếu CP luôn được bảo toàn, vật chất và phản vật chất sinh ra từ Big Bang phải tồn tại cân bằng và triệt tiêu nhau hoàn toàn.

Vi phạm CP là một trong ba điều kiện cần thiết cho baryogenesis, được đưa ra bởi Andrei Sakharov. Các điều kiện bao gồm:

• Vi phạm baryon
• Vi phạm CP
• Quá trình xảy ra ngoài trạng thái cân bằng nhiệt

Phép biến đổi C, P và CP trong cơ học lượng tử

Trong ngôn ngữ lý thuyết trường lượng tử, C là phép chuyển hạt thành phản hạt, P là phép phản chiếu không gian, còn CP là tổ hợp cả hai. Mỗi phép biến đổi được biểu diễn bởi một toán tử tuyến tính tác động lên trường lượng tử hoặc trạng thái lượng tử. Nếu lý thuyết là bất biến dưới phép CP, thì các quá trình vật lý phải giống nhau khi thay thế hạt bằng phản hạt và phản chiếu không gian.

Ví dụ, đối với trường Dirac mô tả fermion spin-1/2, phép CP có tác động như sau:

$\psi(x) \xrightarrow{CP} i \gamma^2 \psi^*(-x)$

Trong mô hình chuẩn, phép CP được bảo toàn bởi điện động lực học (QED) và tương tác mạnh (QCD) trong điều kiện không có pha θ. Tuy nhiên, tương tác yếu – tương tác chi phối phân rã beta và các quá trình hạ nguyên tử – cho phép xuất hiện vi phạm CP một cách tự nhiên, đặc biệt qua trộn trạng thái giữa các thế hệ quark.

Bảng sau tổng kết tác động của các phép biến đổi lên một số đại lượng vật lý:

Đại lượng	Biến đổi C	Biến đổi P	Biến đổi CP
Điện tích $q$	$-q$	$q$	$-q$
Động lượng $\vec{p}$	$\vec{p}$	$-\vec{p}$	$-\vec{p}$
Spin $\vec{S}$	$\vec{S}$	$\vec{S}$	$\vec{S}$
Trường điện $\vec{E}$	$-\vec{E}$	$-\vec{E}$	$\vec{E}$

Lịch sử phát hiện vi phạm CP

Trước năm 1964, giới vật lý tin rằng các định luật tự nhiên đều bất biến dưới CP. Tuy nhiên, một thí nghiệm đột phá do James Cronin và Val Fitch thực hiện tại Brookhaven National Laboratory đã chỉ ra rằng meson K⁰ (kaon trung hòa) có thể phân rã theo cách vi phạm CP. Cụ thể, phân rã của trạng thái dài sống $K_L$ thành hai pion (một trạng thái có parity xác định) là bằng chứng rõ ràng rằng CP không còn bảo toàn.

Khám phá này dẫn đến sự thay đổi lớn trong hiểu biết về đối xứng cơ bản của tự nhiên. Cronin và Fitch nhận giải Nobel Vật lý năm 1980 cho phát hiện này. Sau đó, vi phạm CP tiếp tục được xác nhận trong hệ meson B và D tại các thí nghiệm tiên tiến như BaBar (Mỹ), Belle (Nhật Bản), và LHCb (CERN).

Tham khảo bài báo gốc: Phys. Rev. Lett. 13, 138 (1964)

Vi phạm CP trong mô hình chuẩn

Mô hình chuẩn mô tả vi phạm CP thông qua ma trận trộn quark CKM (Cabibbo–Kobayashi–Maskawa). Đây là ma trận phức $3 \times 3$ mô tả xác suất chuyển đổi giữa các loại quark khi tương tác qua boson W. Trong biểu diễn chuẩn, có một pha phức không thể loại bỏ bằng biến đổi cơ sở, chính là nguồn gốc vi phạm CP trong tương tác yếu.

$V_{CKM} = \begin{pmatrix} V_{ud} & V_{us} & V_{ub} \\ V_{cd} & V_{cs} & V_{cb} \\ V_{td} & V_{ts} & V_{tb} \end{pmatrix}$

Tham số Jarlskog $J$, đặc trưng cho cường độ vi phạm CP trong CKM, được định nghĩa là:

$J = \text{Im}(V_{us}V_{cb}V_{ub}^*V_{cs}^*) \approx 3 \times 10^{-5}$

Giá trị nhỏ này phản ánh rằng vi phạm CP trong mô hình chuẩn là rất yếu, không đủ để giải thích sự bất cân xứng vật chất–phản vật chất của vũ trụ, dẫn đến nhu cầu nghiên cứu vật lý ngoài mô hình chuẩn.

Phân loại vi phạm CP: gián tiếp, trực tiếp và trong trộn trạng thái

Vi phạm CP được chia thành ba loại chính dựa trên cơ chế vật lý gây ra: vi phạm CP gián tiếp, trực tiếp và trong giao thoa giữa trộn và phân rã. Mỗi loại phản ánh một mức độ và bản chất khác nhau của sự phá vỡ đối xứng CP trong các hệ meson trung hòa như K⁰, B⁰, D⁰.

Vi phạm CP gián tiếp xảy ra do sự không đồng nhất giữa trạng thái khối lượng (eigenstate) và trạng thái CP thuần khiết. Ví dụ: trạng thái dài sống $K_L$ của hệ K⁰–K̄⁰ không hoàn toàn là trạng thái CP = -1, dẫn đến phân rã thành hai pion – trạng thái CP = +1.

Vi phạm CP trực tiếp liên quan đến sự khác biệt trong biên độ phân rã: tỉ lệ phân rã của hạt và phản hạt khác nhau trong cùng một kênh. Cuối cùng, dạng vi phạm CP do giao thoa giữa trộn và phân rã xảy ra trong hệ có dao động hạt – phản hạt, ví dụ B⁰–B̄⁰.

• Gián tiếp: xuất hiện trong trộn trạng thái, phản ánh qua hệ số ε
• Trực tiếp: xuất hiện trong phân rã, đo bằng ε′/ε
• Giao thoa trộn – phân rã: đặc trưng bởi biên độ phân rã phụ thuộc thời gian

Vi phạm CP trong hệ meson B và các thí nghiệm liên quan

Sau kaon, hệ meson B là nền tảng tiếp theo để nghiên cứu vi phạm CP với độ chính xác cao hơn. Các thí nghiệm như BaBar (SLAC, Mỹ), Belle (KEK, Nhật Bản), và LHCb (CERN, Thụy Sĩ) đã quan sát các phân rã B⁰ → J/ψ K_S để đo góc pha CP trong tam giác unitarity của ma trận CKM.

Phép đo sự bất đối xứng thời gian trong phân rã B⁰ và B̄⁰ theo thời gian cho phép rút ra hệ số sin2β – một trong ba góc của tam giác unitarity. Kết quả cho thấy giá trị phù hợp với tiên đoán mô hình chuẩn, nhưng vẫn để lại chỗ trống cho sai lệch nhỏ, có thể là dấu hiệu vật lý mới.

Bảng dữ liệu tiêu biểu từ thí nghiệm Belle:

Kênh phân rã	Bất đối xứng CP	Giá trị đo được
B0 → J/ψ KS	sin2β	0.691 ± 0.017
B0 → π+π−	CP trực tiếp	-0.38 ± 0.06
Bs0 → J/ψ ϕ	CP pha φs	0.01 ± 0.06

Tham khảo: Nature – CP Violation in B Meson Decay

Mô hình chuẩn không đủ để giải thích bất đối xứng vật chất – phản vật chất

Mặc dù mô hình chuẩn bao gồm cơ chế vi phạm CP thông qua pha CKM, nhưng cường độ vi phạm này là quá nhỏ để giải thích mức độ bất đối xứng vật chất–phản vật chất trong vũ trụ ngày nay. Các mô phỏng cosmology chỉ ra rằng để tạo ra tỷ lệ baryon hiện tại, cần một nguồn vi phạm CP mạnh hơn khoảng 10¹⁰ lần.

Ba điều kiện Sakharov cho baryogenesis gồm vi phạm số baryon, vi phạm CP, và không cân bằng nhiệt. Trong mô hình chuẩn, cả ba điều kiện đều có tồn tại về mặt lý thuyết nhưng với cường độ quá yếu hoặc hiếm gặp. Điều này dẫn đến nhu cầu mở rộng mô hình chuẩn để giải thích nguồn gốc vật chất trong vũ trụ.

Vi phạm CP trong mô hình mở rộng và vật lý mới

Nhiều mô hình vượt ra ngoài mô hình chuẩn (BSM) đưa vào các cơ chế vi phạm CP mới, có thể mạnh hơn và không bị giới hạn bởi ma trận CKM. Ví dụ, trong leptogenesis, vi phạm CP xảy ra trong phân rã neutrino nặng – sinh ra bất đối xứng lepton, rồi chuyển hóa thành bất đối xứng baryon nhờ hiệu ứng sphaleron.

Mô hình tối giản siêu đối xứng (MSSM) cũng cho phép các pha CP mới từ các tham số mềm, làm xuất hiện vi phạm CP trong phân rã hạt Higgs hoặc tương tác điện từ. Một số mô hình khác như mô hình 2-Higgs-doublet (2HDM), mô hình axion, hoặc lý thuyết grand unified cũng chứa các pha vi phạm CP ngoài CKM.

Tham khảo chi tiết: Annual Review of Nuclear and Particle Science – CP Violation and Baryogenesis

Vi phạm CP trong tương tác mạnh và vấn đề θ

Tương tác mạnh cho phép một thuật ngữ vi phạm CP trong Lagrangian QCD dưới dạng:

$\mathcal{L}_{\theta} = \theta \frac{g_s^2}{32\pi^2} G_{\mu\nu}^a \tilde{G}^{a\mu\nu}$

Trong đó, $\tilde{G}^{a\mu\nu}$ là đối ngẫu của tensor trường gluon. Tuy nhiên, thí nghiệm cho thấy không tồn tại moment lưỡng cực điện của neutron lớn hơn ngưỡng cực nhỏ, dẫn đến giả thiết rằng $\theta \lesssim 10^{-10}$. Đây là vấn đề CP mạnh – tại sao θ gần như bằng 0 trong khi về lý thuyết nó có thể lấy bất kỳ giá trị nào.

Một hướng giải thích là sự tồn tại của axion – một hạt giả vô hướng có thể động học hóa θ về 0 thông qua cơ chế Peccei–Quinn. Axion cũng là ứng viên cho vật chất tối và đang được tìm kiếm trong các thí nghiệm ADMX, CAST.

Tầm quan trọng của vi phạm CP trong vũ trụ học và vật lý hạt

Vi phạm CP không chỉ là một hiện tượng lượng tử hiếm mà còn là chìa khóa để giải thích một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý: tại sao vũ trụ chứa nhiều vật chất hơn phản vật chất. Nó kết nối thuyết lượng tử với vũ trụ học, đặt nền móng cho việc mở rộng mô hình chuẩn và thiết kế các thí nghiệm tương lai.

Vi phạm CP là mục tiêu nghiên cứu chính tại nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới: LHCb (CERN), Belle II (Nhật), DUNE (Mỹ), và các tìm kiếm EDM. Mỗi phép đo mới có thể làm sáng tỏ cơ chế tạo nên bất đối xứng vật chất và đưa ta tiến gần hơn đến lý thuyết thống nhất tự nhiên của các lực cơ bản.