未解問題與前沿

強 CP 問題(strong CP problem)

/ see-pee /

把一個物理過程的影片倒著放,再放進鏡子裡照一照,你就得到了它的「CP 鏡像」。大自然的大部分在這面 CP 鏡子裡看起來幾乎一模一樣,但弱交互作用是一個已知的例外——它對物質和反物質的表現略有不同。強交互作用則恰恰相反:它看上去完全一碗水端平,實驗在其中根本找不到任何 CP 破壞的跡象。聽上去很整潔,但問題來了——強交互作用的理論裡允許有一個會破壞 CP 的項,而且沒有任何明顯的理由說這一項就該是零。強交互作用何苦要做到如此完美的公平?

罪魁禍首是一個數,通常寫成角度 theta,它藏在量子色動力學(描述夸克與膠子的理論)的方程裡。如果 theta 不是極小,它就會讓中子表現得像一根小小的電羅盤指針——它會有一份正負電荷的永久分離,叫做電偶極矩,而這恰恰是 CP 破壞會產生的那類東西。實驗以驚人的精度搜尋中子的電偶極矩,卻一無所獲,這就把 theta 逼到了小於大約百億分之一。標準模型裡沒有任何東西要求這麼小的值;theta 本可以是任何數,可大自然似乎把它設成了基本為零。

這是一個與階層問題同一脈絡的自然性謎題:一個「本應」是 1 量級的數,卻小得驚人,而且沒有解釋。最優雅的擬議解法引入了一種新的對稱性,它會自動把 theta 鬆弛到零,而這套機制的一個副產品,是一種全新的、極輕的粒子,叫做軸子。如今軸子也是暗物質的一個主流候選者,這正是強 CP 問題一直是個活躍、且回報格外豐厚的前沿的部分原因——解開一個謎,也許能一次解開兩個。

如果強交互作用哪怕只破壞一點點 CP,中子就會表現得像一節小小的電池,帶有可測量的電偶極矩。物理學家搜尋這個偶極矩已經超過半個世紀,卻一無所獲,把 theta 角釘到了大約百億分之一以下。

從未發現過中子的電偶極矩——這把強交互作用破壞 CP 的角度逼到了幾乎為零。

強 CP 問題並不是說強交互作用破壞了 CP——實驗說它沒有。謎恰恰相反:理論允許 CP 破壞,可大自然卻把它以驚人的精度關掉了,而我們不知道為什麼。

又稱
why the strong force respects CPtheta problem强 CP 难题