Ist die Parität wirklich verletzt? (Obwohl Neutrinos massiv sind)

Die schwache Kraft koppelt nur an linkschirale Felder, was mathematisch durch einen chiralen Projektionsoperator ausgedrückt wird P L = 1 γ 5 2 in den entsprechenden Kopplungstermen in der Lagrange-Funktion.

Diese merkwürdige Tatsache der Natur wird allgemein als Paritätsverletzung bezeichnet , und ich frage mich, warum? Macht dieser Name aus heutiger Sicht Sinn?

Meine Frage basiert auf der Beobachtung:

Ein Dirac-Spinor (in der chiralen Darstellung) reiner Chiralität transformiert sich unter Paritätstransformationen:

Ψ L = P L Ψ = ( χ L 0 ) Ψ L P = ( 0 χ L ) Ψ R

Chiralität ist eine Lorentz-invariante Größe und ein links-chirales Teilchen wird nicht durch Paritätstransformationen in ein rechts-chirales Teilchen umgewandelt. (Das transformierte Objekt lebt in einer anderen Darstellung der Lorentz-Gruppe, wo der untere Weyl-Spinor den links-chiralen Teil bezeichnet .)

Verstehen Sie, woher der Name historisch stammt (siehe letzter Absatz), aber wäre die Verletzung der Chiralität aus heutiger Sicht nicht viel sinnvoller?

Etwas Hintergrund:

Fermionen werden durch Dirac-Spinoren beschrieben, die sich entsprechend transformieren ( 1 2 , 0 ) ( 0 , 1 2 ) Darstellung der (Doppelcover der) Lorentz-Gruppe. Weyl-Spinoren χ L Umformung nach ( 1 2 , 0 ) Darstellung werden als linkschiral bezeichnet und solche, die sich entsprechend transformieren ( 0 , 1 2 ) Darstellung werden als rechtschiral bezeichnet ξ R . Ein Dirac-Spinor ist (in der chiralen Darstellung)

Ψ = ( χ L ξ R )

Der Effekt einer Paritätstransformation ist

( 1 2 , 0 ) P ( 0 , 1 2 ) ,
was bedeutet, dass die beiden Irreps der Lorentz-Gruppe vertauscht sind. (Dies kann zum Beispiel gesehen werden, indem man mit einer Paritätstransformation auf die Generatoren der Lorentz-Gruppe einwirkt). Das bedeutet ein paritätstransformierter Dirac-Spinor, der entsprechend transformiert wird ( 0 , 1 2 ) ( 1 2 , 0 ) Vertretung, was bedeutet, dass wir haben

Ψ = ( χ L ξ R ) Ψ P = ( ξ R χ L )

Nun können wir den Effekt einer Paritätstransformation auf einen Zustand mit reiner Chiralität untersuchen:

Ψ L = P L Ψ = ( χ L 0 ) Ψ L P = ( 0 χ L )

Das bedeutet, wir haben nach einer Paritätstransformation immer noch einen links-chiralen Spinor, nur anders geschrieben, und keinen rechts-chiralen. Chiralität ist eine Lorentz-invariante Größe. Trotzdem wird die Tatsache, dass nur linkschirale Teilchen schwach interagieren, allgemein als Paritätsverletzung bezeichnet, und ich frage mich, ob dies noch ein vernünftiger Name ist oder nur von historischer Bedeutung?

Kurze Bemerkung zur Geschichte

Ich weiß, dass früher angenommen wurde, dass Neutrinos masselos sind, und dass für masselose Teilchen Helizität und Chiralität gleich sind. Eine Paritätstransformation transformiert ein linkshändiges Teilchen in ein rechtshändiges Teilchen. Beim berühmten Wu-Experiment konnten nur linkshändige Neutrinos beobachtet werden, daher kommt die Namensparitätsverletzung. Aber macht dieser Name heute Sinn, da wir wissen, dass Neutrinos Masse und damit Chiralität haben? Helizität.

Teilchen in einer Welt, die nur aus linkshändigen Teilchen besteht, bewegen sich anders als Teilchen in einer ansonsten identischen Welt, die nur aus rechtshändigen Teilchen besteht. Recht? Das ist alles, was mit Parteiverletzung gemeint ist.

Antworten (5)

Ja, die Parität wird wirklich verletzt, selbst wenn Neutrinos massiv sind. Sie scheinen die Beziehung zwischen Parität, Helizität und Chiralität im modernen Standardmodell mit der physikalischen Symmetrieoperation der räumlichen Inversion zu verwechseln.

Wus Experiment hat die Neutrino-Helizität nicht gemessen. Wu und Mitarbeiter präparierten eine dünne Schicht eines Beta-emittierenden Kerns mit ziemlich hohem Spin, polarisierten die Kerne und beobachteten, dass die Beta-Teilchen eher vom „Südpol“ des Kerns als vom „Nordpol“ emittiert wurden. " Warum ist das eine Paritätsverletzung? So wie du es definierstDer "Nordpol" eines rotierenden Objekts besteht darin, es mit der rechten Hand zu greifen, sodass sich die Finger Ihrer rechten Hand im gleichen Sinne wie die Drehung krümmen. Der „Nordpol“ ist der, wo dein Daumen hingeht, und der „Südpol“ ist der andere. Die Spiegelreflexion (die ein Sonderfall der Paritätstransformation ist) verwandelt Ihre rechte Hand in eine linke Hand und ändert den Pol, den Sie als "Norden" bezeichnen, für denselben Drehsinn.

Das folgende Papier in dieser Ausgabe von PRL, von Garwin et al ., zeigt, dass beim Zerfall Myonen entstehen π μ + v sind polarisiert. Eine solche Polarisation ist eine Verletzung der Paritätssymmetrie, da das Pion einen Spin von Null hat und ein gestopptes Pion daher keine Präferenz bezüglich der Spinrichtungen seiner Töchter ausdrücken kann. Dieses Experiment war auch das erste, bei dem die magnetischen Momente für Myon und Antimyon gemessen wurden.

Die Aussage, die man produzieren kann, polarisiert μ von spinlos π im Verfall π μ + v legt nahe, dass bei diesem Zerfall auch die Neutrinos polarisiert entstehen sollten. Es wird jedoch allgemein angenommen, dass die erste Messung der Neutrino-Helizität später im selben Jahr von Goldhaber und Mitarbeitern durchgeführt wurde. Die Analyse des Goldhaber-Experiments erfordert, dass Sie ein wenig Zeit damit verbringen, sorgfältig über Kernspins nachzudenken.

Tatsächlich wurde 1927 entdeckt, dass unpolarisierte Beta-Quellen leicht linkshändig polarisierte Elektronen erzeugen, obwohl die Bedeutung damals nicht verstanden wurde und das Papier in Vergessenheit geriet, bis es 1958 von Grodzins ausgegraben wurde. Allan Franklin nennt es „die Nichtentdeckung der Parität“. Nichterhaltung."

Eine Paritätsverletzung ist in dem instinktiven Sinne real, dass, wenn Sie mir ein (ausreichend detailliertes) Foto eines Experiments mit schwacher Wechselwirkung mit polarisierten Teilchen zeigen würden, ich Ihnen im Prinzip sagen könnte, ob das Foto reflektiert wurde oder nicht.

Schwache Wechselwirkungen mit W und Z Eichbosonen verletzen die Parität einfach deshalb, weil die rechtshändigen und die linkshändigen Fermionen unterschiedlich gekoppelt sind W und Z . Zum Beispiel die W 's Paar nur zu den linkshändigen Feldern. Eine paritätsunabhängige Dynamik würde erfordern, dass sowohl das linke als auch das rechte Feld in gleicher Weise an den Eichvektor koppeln, da sie bei der Paritätstransformation ausgetauscht werden.

Etwas technischer ausgedrückt müssen sich die Eichbosonen als polare Vektoren unter Parität transformieren (weil sie eine kovariante Ableitung mit bilden μ der polar ist) und daher sollten sie, um die Parität zu bewahren, an einen polaren Vektorstrom gekoppelt werden J μ wie zum Beispiel Ψ ¯ γ μ Ψ . Stattdessen die W 's paar zu v EIN Strom des Typs Ψ ¯ γ μ ( 1 γ 5 ) Ψ . Während γ μ Term als Polarvektor transformiert, ist es nicht schwer zu sehen, dass die γ μ γ 5 Termtransformation stattdessen als axialer Vektor. Um die Parität wiederherzustellen, sollte man einen Rechtsstrom hinzufügen Ψ ¯ γ μ ( 1 + γ 5 ) Ψ dass Paare mit der gleichen Stärke zu W so, dass die γ 5 würde fallen.

Hallo, danke für deine Antwort. Beziehen Sie sich im ersten Absatz auf Helizität oder Chiralität, wenn Sie von links- und rechtshändigen Fermionen sprechen? Soweit ich weiß, wird ein linkshändiges (Helizitäts-)Feld in ein rechtshändiges Feld umgewandelt, aber ein linkschirales Feld bleibt linkschiral. Im Standardmodell wird "Paritätsverletzung" durch Verwendung eingebaut 1 γ 5 , der der Chiralitätsprojektionsoperator ist. Wenn ich Sie richtig verstehe, sagen Sie, dass die Parität verletzt ist, weil unter Parität Ψ ¯ γ μ ( 1 γ 5 ) Ψ Ψ ¯ γ μ ( 1 + γ 5 ) Ψ ?!
Meiner Meinung nach ist das nicht richtig, denn wir haben Ψ γ 0 Ψ , wodurch das Minuszeichen, von dem wir kommen, aufgehoben wird γ 5 γ 5 und Erträge Ψ ¯ γ μ ( 1 γ 5 ) Ψ Ψ ¯ γ μ ( 1 γ 5 ) Ψ ...
@JacobH Es tut mir leid, aber tatsächlich wird der VA-Strom in einen V + A-Strom umgewandelt. Es geht nicht um Meinungen, sondern nur darum, die Transformation richtig zu machen. Denken Sie darüber nach, ein Begriff Ψ ¯ γ μ γ 5 Ψ wird nicht umsonst Axialstrom genannt. Das γ 5 Term dreht das Zeichen wegen der Transformationsregel von um Ψ , es muss kein zusätzliches Minus eingefügt werden. Was Ihre Frage betrifft, beziehe ich mich auf die projizierten Zustände 1 γ 5 , aber es spielt keine Rolle, da Sie die gleiche Frage auch im Grenzbereich masseloser Teilchen stellen können, wenn das Higgs-VEV ausgeschaltet ist.
@JakobH Ich hatte ein Problem mit meinem automatischen Korrektor ... 'Down matter' sollte 'egal' sein ... Ich hoffe, der Rest ist klar genug.

Lassen Sie uns überprüfen, ob die Parität durch den Lagrangian der schwachen Wechselwirkung verletzt wird:

L ( x ) = ψ ¯ ( x ) γ μ ( 1 γ 5 ) 2 ψ ( x ) W μ ( x )
Zu sagen, dass die Parität verletzt ist, bedeutet, dass der transformierte Lagrangian L ' ( x ) ist nicht gleich dem alten Lagrangian, der sich aus neuen Koordinaten ergibt L ( x ' ) wo x ' 0 = x 0 und x ' = x . Um es zu beurteilen L ' ( x ) , muss man die Transformationen des Fermionenfeldes kennen ψ ( x ) und das Bosonenfeld W μ ( x ) . Das kann man zeigen ψ ' ( x ) = η γ 0 ψ ( x ' ) mit η = ± 1 die intrinsische Parität des Feldes ψ und W 0 ' ( x ) = η W W 0 ( x ' ) , W ich ' ( x ) = η W W ich ( x ' ) (übliche Transformation eines Vektorfeldes) mit η W = ± 1 die intrinsische Parität des Vektorfeldes. Somit:
L ' ( x ) = ψ ' ¯ ( x ) γ 0 ( 1 γ 5 ) 2 ψ ' ( x ) W 0 ' ( x ) + ψ ' ¯ ( x ) γ ich ( 1 γ 5 ) 2 ψ ' ( x ) W ich ' ( x )
geben:
L ' ( x ) = η 2 η W ( ψ ¯ ( x ' ) γ 0 γ 0 ( 1 γ 5 ) 2 γ 0 ψ ( x ' ) W 0 ( x ' ) ψ ¯ ( x ' ) γ 0 γ ich ( 1 γ 5 ) 2 γ 0 ψ ( x ' ) W ich ( x ' ) )
Die Kenntnis der Kommutierungsregeln der γ Matrizen, ( γ 0 ) 2 = 1 und η 2 = 1 , es wird:
L ' ( x ) = η W ( ψ ¯ ( x ' ) γ 0 ( 1 + γ 5 ) 2 ψ ( x ' ) W 0 ( x ' ) + ψ ¯ ( x ' ) γ ich ( 1 + γ 5 ) 2 ψ ( x ' ) W ich ( x ' ) ) = η W ψ ¯ ( x ' ) γ μ ( 1 + γ 5 ) 2 ψ ( x ' ) W μ ( x ' )
Wie Sie sehen, unabhängig vom Wert η W = ± 1 , der transformierte Lagrangian kann nicht gleich sein L ( x ' ) :
L ( x ' ) = ψ ¯ ( x ' ) γ μ ( 1 γ 5 ) 2 ψ ( x ' ) W μ ( x ' )
rechtfertigt die Verletzung der Parität durch die schwache Wechselwirkung.

Okay, ich glaube, ich habe eine Idee, warum die Terminologie verwendet wird, aber ich denke, dieses Argument macht wenig Sinn:

Der Lagrange-Term, der schwache Wechselwirkungen beschreibt, hat die Form

Ψ ¯ γ μ P L Ψ W μ

Unter Paritätstransformationen Ψ γ 0 Ψ und Ψ ¯ Ψ ¯ γ 0 , deshalb

Ψ ¯ γ μ P L Ψ W μ Ψ ¯ γ 0 γ μ P L γ 0 Ψ W μ

Wir können den paritätstransformierten Lagrangian transformieren, indem wir die explizite Form von verwenden P L = 1 γ 5 2 und { γ 5 , γ μ } = 0 :

Ψ ¯ γ 0 γ μ P L γ 0 Ψ W μ = Ψ ¯ γ 0 γ μ γ 0 P R Ψ W μ = Ψ ¯ γ μ P R Ψ W μ

was zeigt, dass der Term der schwachen Wechselwirkung in der Lagrange-Funktion unter Paritätstransformationen nicht invariant ist. Diese Argumentation halte ich für falsch!

Die obige Diskussion verfehlt das unter Paritätstransformationen γ 5 γ 5 . Wenn wir dies berücksichtigen, ist der entsprechende Term in der Lagrange-Funktion invariant und schwache Wechselwirkungen sind invariant unter Paritätstransformationen .

Wir können das sehen, weil wir für einen gewöhnlichen Dirac-Spinor den Projektionsoperator haben:

P L Ψ = ( 1 0 0 0 ) ( χ L ξ R ) = ( χ L 0 ) = Ψ L

und für den paritätstransformierten Dirac-Spinor Ψ P der linkschirale Projektionsoperator ist

P L P Ψ P = ( 0 0 0 1 ) ( ξ R χ L ) = ( 0 χ L ) = Ψ L P

Die paritätstransformierten Dirac-Spinoren leben in einer anderen Darstellung und deshalb brauchen wir andere Projektionsoperatoren. Die obige Diskussion zeigt die Transformation unter Parität

P L P L P = 1 + γ 5 2 = P R
und daher lautet die in die Lagrange transformierte Parität:

Ψ ¯ γ 0 γ μ P R γ 0 Ψ W μ = Ψ ¯ γ 0 γ μ γ 0 P L Ψ W μ = Ψ ¯ γ μ P L Ψ W μ

was die Invarianz zeigt.

An alle, die abgelehnt haben, ein kurzer Kommentar darüber, was falsch ist, würde mir sehr helfen!
Ich bin nicht derjenige, der Sie abgelehnt hat, aber Sie schreiben viele Gleichungen, die schwer zu befolgen sind, wenn das OP nach einer Beschreibung der Situation fragt, die zeigt, wie die Parität sichtbar verletzt wird, wie Robs Antwort oder Vladimirs letzter Kommentar zu seiner eigenen Antwort (Die Antwort von Valdimir ist dagegen nicht sehr nützlich)

Ich denke, es liegt daran, dass Sie zuerst das Vorzeichen ändern x zu x im physikalischen Raum (das ist kurz gesagt die Paritätstransformation). All diese eigentümliche Algebra in Bezug auf linke und rechte Chiralitätsfelder kommt daher J = 1 / 2 Lorenz-Gruppendarstellung, so dass Transformationsregeln als Repräsentanten der Paritätstransformation des physikalischen Raums definiert sind.

Hallo @Vladimir, leider bin ich mir nicht sicher, was du sagen willst. Was bedeutet Paritätsverletzung für Sie? Und in welchem ​​Sinne wird sie dann wirklich verletzt?
Hallo, @JakobH, für mich bedeutet Paritätsverletzung, dass die Umkehrung der Raumkoordinaten das Gesetz der Physik nicht gleich hält. Früher erwarteten die Leute, dass die Gesetze der Physik unter dieser Transformation gleich bleiben würden, z. B. dreht sich der Kreisel im Uhrzeigersinn unter dieser Transformation gegen den Uhrzeigersinn; alle Observablen werden "zurückkehren". Paritätsverletzung bedeutet jedoch, dass einige Gesetze nicht auf diese Weise geändert werden sollten. Wu Experiment Link selbst ist ein gutes Beispiel. Was ich zu sagen versuche, ist, dass der Begriff des Koordinatenwechsels (Paritätsinversion) für die Paritätstransformation grundlegend ist.
..., und spezifische Gesetze für Neutrinos (und andere Felder von Spin 1/2) sind nur eine Darstellung des physikalischen Begriffs der Inversion. Ihre Diskussion betrifft den Formalismus dieser Transformation (Transformationsmatrizen, Definitionen von linken und rechten Spinoren usw.). Dieser Formalismus ist so aufgebaut, dass entsprechende Observablen das Vorzeichen wechseln. Übrigens wird diese Transformation auf alle Felder angewendet, auch auf diejenigen, für die der Begriff der Chiralität keinen Sinn macht (zum Beispiel ist die Wellenfunktion für Skalarfelder nur eine einfache Funktion und die Paritätstransformation ist nur f(x) -> f(-x) ).
Ich kenne das Wu-Experiment, aber was meinst du mit "einige Gesetze sollten sich nicht auf diese Weise ändern"? Soweit ich weiß, ist das Ergebnis des Wu-Experiments, dass nur links-chirale Teilchen schwach wechselwirken. Ich frage mich, warum dies als Paritätsverletzung bezeichnet wird.
Es gibt eine Illustration im Artikel des Wu-Experiments, die eine Verletzung der Parität demonstriert. Wir würden erwarten (was Paritätserhaltung impliziert), dass das Experiment, das in unserer Welt eine bevorzugte Richtung in der Spiegelwelt hat, dieselbe bevorzugte Richtung hat, aber das ist nicht der Fall. In unserer Welt interagiert nur eine Art von Teilchen mit Spin 1/2 mit dem W-Boson. In der Spiegelwelt (nach Paritätstransformation ) interagieren diese Art von Teilchen nicht, aber andere Arten interagieren mit W-Bosonen. Die Physik ist also nach der Paritätstransformation anders.