强 CP 问题(strong CP problem)
/ see-pee /
把一个物理过程的影片倒着放,再放进镜子里照一照,你就得到了它的“CP 镜像”。大自然的大部分在这面 CP 镜子里看起来几乎一模一样,但弱相互作用是一个已知的例外——它对物质和反物质的表现略有不同。强相互作用则恰恰相反:它看上去完全一碗水端平,实验在其中根本找不到任何 CP 破坏的迹象。听上去很整洁,但问题来了——强相互作用的理论里允许有一个会破坏 CP 的项,而且没有任何明显的理由说这一项就该是零。强相互作用何苦要做到如此完美的公平?
罪魁祸首是一个数,通常写成角度 theta,它藏在量子色动力学(描述夸克与胶子的理论)的方程里。如果 theta 不是极小,它就会让中子表现得像一根小小的电罗盘指针——它会有一份正负电荷的永久分离,叫做电偶极矩,而这恰恰是 CP 破坏会产生的那类东西。实验以惊人的精度搜寻中子的电偶极矩,却一无所获,这就把 theta 逼到了小于大约百亿分之一。标准模型里没有任何东西要求这么小的值;theta 本可以是任何数,可大自然似乎把它设成了基本为零。
这是一个与等级问题同一脉络的自然性谜题:一个“本应”是 1 量级的数,却小得惊人,而且没有解释。最优雅的拟议解法引入了一种新的对称性,它会自动把 theta 松弛到零,而这套机制的一个副产品,是一种全新的、极轻的粒子,叫做轴子。如今轴子也是暗物质的一个主流候选者,这正是强 CP 问题一直是个活跃、且回报格外丰厚的前沿的部分原因——解开一个谜,也许能一次解开两个。
如果强相互作用哪怕只破坏一点点 CP,中子就会表现得像一节小小的电池,带有可测量的电偶极矩。物理学家搜寻这个偶极矩已经超过半个世纪,却一无所获,把 theta 角钉到了大约百亿分之一以下。
从未发现过中子的电偶极矩——这把强相互作用破坏 CP 的角度逼到了几乎为零。
强 CP 问题并不是说强相互作用破坏了 CP——实验说它没有。谜恰恰相反:理论允许 CP 破坏,可大自然却把它以惊人的精度关掉了,而我们不知道为什么。