Violación CP

El Modelo Estándar permite una violación "directa" de la simetría CP si aparece una fase compleja en la matriz CKM que describe la mezcla de quarks, o en la matriz PMNS que describe la mezcla de neutrinos. Una condición necesaria para que aparezca esta fase compleja es la existencia de al menos tres generaciones de fermiones.

La razón por la que esta fase compleja da lugar a una violación de CP no es inmediatamente obvia, pero se puede ver con el siguiente razonamiento. Sean dos partículas ${\displaystyle a}$ y ${\displaystyle b}$, y sus antipartículas ${\displaystyle {\bar {a}}}$ y ${\displaystyle {\bar {b}}}$. El proceso ${\displaystyle a\rightarrow b}$ y el proceso correspondiente a las antipartículas ${\displaystyle {\bar {a}}\rightarrow {\bar {b}}}$ tienen amplitudes ${\displaystyle M}$ y ${\displaystyle {\bar {M}}}$ respectivamente. Si no hubiera violación de CP, estas amplitudes deberían ser el mismo número complejo, que se puede separar en magnitud y fase como ${\displaystyle M=|M|e^{i\theta }}$. Si la matriz CKM introduce una fase compleja ${\displaystyle e^{i\phi }}$ en la amplitud ${\displaystyle M}$, la amplitud ${\displaystyle {\bar {M}}}$ contiene la matriz conjugada, con lo que adquiere una fase ${\displaystyle e^{-i\phi }}$:

${\displaystyle M=|M|e^{i\theta }e^{i\phi }}$

${\displaystyle {\bar {M}}=|M|e^{i\theta }e^{-i\phi }}$

Las tasas de reacción físicamente medibles son proporcionales a ${\displaystyle |M|^{2}}$, por lo que hasta ahora no hay ninguna diferencia. Sin embargo, si hay al menos dos rutas de reacción (por ejemplo, dos estado intermedios distinitos) para ${\displaystyle a\rightarrow b}$, se tiene:

${\displaystyle M=|M_{1}|e^{i\theta _{1}}e^{i\phi _{1}}+|M_{2}|e^{i\theta _{2}}e^{i\phi _{2}}}$

${\displaystyle {\bar {M}}=|M_{1}|e^{i\theta _{1}}e^{-i\phi _{1}}+|M_{2}|e^{i\theta _{2}}e^{-i\phi _{2}}}$

Con lo que se obtiene:

${\displaystyle |M|^{2}-|{\bar {M}}|^{2}=4|M_{1}||M_{2}|\sin(\theta _{1}-\theta _{2})\sin(\phi _{1}-\phi _{2})}$

Por lo tanto, la existencia de una fase compleja da lugar a procesos que ocurren a diferentes ritmos para partículas y antipartículas, y se viola la simetría CP.

En 1964, James Cronin, Val Fitch y colaboradores encontraron evidencias claras de la violación de CP al estudiar la desintegración de kaones.[1] Gracias a este trabajo[2] ganaron el Premio Nobel de física en 1980. Este descubrimiento demostró que las interacciones débiles no solamente violaban la simetría de conjugación de carga C y la simetría de paridad P, también la combinación de ambas.

La violación de CP descubierta en 1964 se debe al hecho de que los kaones neutros se pueden transformar en sus antipartículas (en la que cada quark se sustituye por su antiquark) y viceversa, pero estas transformaciones no ocurren con la misma probabilidad. Esto se conoce como violación indirecta de CP.

Diagrama de Feynman tipo caja de la oscilación de kaones.

Estos dos diagramas de Feynman proporcionan las contribuciones de primer orden a la amplitud de la oscilación de K0
-K0
.

A pesar de muchas búsquedas, no se descubrió ninguna nueva manifestación de la violación de CP hasta la década de 1990, cuando el experimento NA31 del CERN sugirió evidencias de la violación directa de CP en el proceso de desintegración de kaones neutros. Los resultados fueron algo controvertidos, y la prueba final llegó en 1999 del experimento KTeV de Fermilab[3] y el experimento NA48 del CERN.[4]

En 2001, una nueva generación de experimentos, que incluyen el experimento BaBar en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)[5] y el Experimento Belle en el KEK[6] de Japón, observó violación directa de CP en la desintegración de mesones B.[7] Actualmente se conoce un gran número de procesos que violan CP en las desintegraciones de mesones B.

En 2011, el experimento LHCb del CERN informó de indicios de violación de CP en la desintegración de mesones D neutros, empleando 0.6 fb⁻¹ de los datos del Run 1.[8] Sin embargo, la misma medida empleando la muestra completa de 3.0 fb⁻¹ datos del Run 1 era compatible con la simetría CP.[9]

En 2013 LHCb anunció el descubrimiento de violación de CP en la desintegración de mesones B extraños,[10] confirmado en 2015 por los experimentos BaBar y Belle.[11]

En marzo de 2019, LHCb anunció el descubrimiento de una violación de CP en decaimientos de quarks charm ${\displaystyle D^{0}}$con una desviación cero de 5,3 desviaciones estándar.[12]

En 2020, la colaboración T2K informó por primera vez de indicios de violación de CP en leptones.[13] En este experimento, los haces de neutrinos muónicos (ν
μ) y antineutrinos muónicos (ν
μ) fueron producidos alternativamente por un acelerador. En el momento en que llegaron al detector, se detectó una proporción significativamente mayor de neutrinos electrónicos (ν
e) de los haces ν
μ, que los antineutrinos electrónicos (ν
e) de los haces ν
μ. Los resultados aún no eran lo suficientemente precisos para determinar el tamaño de la violación de CP, en relación con la observada en los quarks.