CP対称性の破れ

CP対称性の破れ（CPたいしょうせいのやぶれ、英：CP violation、CP-symmetry、charge conjugation parity symmetry）とは、物理学、特に素粒子物理学において、CP対称性に従わない事象のことである。 CP対称性の破れは1964年に中性K中間子の崩壊の観測から発見され、ジェイムズ・クローニンとヴァル・フィッチはその功績により1980年にノーベル物理学賞を受賞した。現在も、理論物理及び実験物理で積極的な研究が行なわれている分野の一つとなっている。 現在の宇宙では、物質が反物質よりもはるかに多い。 宇宙の歴史の中でこの非対称性を生成するためにはCP対称性の破れが必要条件であり、サハロフの三条件のひとつとして知られている。

Cは荷電共役変換（charge conjugation transformation: 粒子を反粒子へ反転する）、Pはパリティ変換（parity inversion transformation: 物理系の鏡像を作る）を意味し、CPはこれら二つの演算子の積である。強い相互作用と電磁相互作用はCP変換の元で不変であると考えられているが、弱い相互作用による崩壊では、この対称性がわずかに破れている。

歴史的にみるとCP対称性は、1950年代に発見されたパリティ対称性の破れを回復するために提案された。パリティ対称性とは、素粒子物理学の法則が鏡像反転のもとで不変である、という考えを背景としている。これは、化学反応や放射性崩壊のような反応が、鏡像反転しても同じ頻度で起きることを示唆している。

パリティ対称性は、電磁相互作用および強い相互作用による反応については正しい。1956年までパリティ保存は、エネルギー保存の法則や運動量保存の法則とともに、幾何学的な基本法則の一つであると信じられていた。しかし1956年に、理論物理学者の李政道と楊振寧が、すでに存在していた実験データを丹念に再検討し、パリティ保存は強い相互作用および電磁相互作用については確認されていたが、弱い相互作用については確認されていないことを示した。彼らはいくつかの直接的に検証する実験を提案した。コバルト60原子核のベータ崩壊を使った最初の実験は、1956年に呉健雄らのグループによって実施され、弱い相互作用がパリティ対称性を破ることを明確に証明した。

全体的に見て、一つの量子力学的体系の対称性Pの破れは、もしも他の対称性Sの破れが見つかって、それと組み合わせた対称性PSが破れないように出来れば回復される。このヒルベルト空間の構造についての精妙な論点はパリティの破れが発見されてまもなく体現され、荷電共役がその秩序回復のための望まれた対称性であると提唱された。


簡単に言うと、荷電共役とは粒子と反粒子の間の対称性である。CP対称性は1957年にレフ・ランダウにより、物質と反物質の間の真の対称性として提唱された。言い換えれば、一つの過程ですべての粒子がその反粒子で置き換わったものはもとの過程の鏡像と等価である、と仮定された