CPT-Verletzung

Das CPT-Theorem (für engl. Charge- Parity- Time = Ladung- Parität- Zeit) ist ein fundamentales Gesetz der Physik. Es besagt, dass jeder Vorgang der durch Vertauschen von Materie mit Antimaterie und zusätzlich spiegelbildlich und zeitumgekehrt aufgebaut wird, ebenfalls im Einklang mit den Gesetzen der Physik steht und damit möglich ist. Dieser Sachverhalt wird auch als Invarianz der physikalischen Gesetze bezüglich einer CPT-Transformation (siehe unten) bezeichnet. Das CPT-Theorem wurde 1955 von Wolfgang Pauli aufgestellt.

Die CPT-Transformation

Eine CPT-Transformation bewirkt man durch das nacheinander Ausführen der folgenden drei diskreten Transformationen:

• C-Transformation: Austausch jedes Teilchens durch sein Antiteilchen und umgekehrt. Dabei wechselt u. a. die Ladung (englisch: charge) das Vorzeichen. Daher wird diese Transformation auch Ladungskonjugation genannt.
• P-Transformation: Inversion aller drei Raumkoordinaten sämtlicher beteiligter Teilchen und Strukturen. Diese Transformation heißt Raumspiegelung oder Paritätstransformation. Sie ist identisch mit einer gewöhnlichen Spiegelung, bei der lediglich eine Raumkoordinate invertiert wird, und einer zusätzlichen Drehung um diese Koordinatenachse um 180°.
• T-Transformation: Inversion der Zeitkoordinaten sämtlicher beteiligter Teilchen und Strukturen, so dass der Vorgang zeitumgekehrt abläuft. Diese Transformation heißt Zeitumkehr

Invarianz der physikalischen Gesetze bezüglich der Einzeltransformationen

Die Gesetze der Physik, die Prozesse beschreiben, bei denen lediglich die Gravitation und die elektromagnetische Wechselwirkung beteiligt sind, bleiben bei jeder einzelnen der drei beschriebenen Transformationen unverändert (invariant). Das ist insbesondere bei allen Vorgängen der Alltagsphysik der Fall. D. h. zu jedem Vorgang sind auch

• der ladungsgespiegelte,
• der spiegelbildliche,
• der zeitumgekehrte,

sowie alle Kombinationen möglich.

Bei Beteiligung der schwachen Wechselwirkung ist das jedoch nicht mehr der Fall. So sind beispielsweise in der Elementarteilchenphysik Prozesse möglich, deren Spiegelbild nicht mit den Gesetzen der Physik verträglich ist. Man spricht in diesem Fall von einer Verletzung der Spiegelsymmetrie, einer so genannten Paritätsverletzung. Die schwache Wechselwirkung verletzt ferner die Symmetrie bezüglich einer Ladungsspiegelung und die Symmetrie bezüglich der Parität (Raumspiegelung). Ist eine dieser Symmetrien verletzt, dann ist es auch die Kombination der beiden anderen. So ist beispielsweise in der schwachen Wechselwirkung die CP-Symmetrie verletzt, die einer kombinierten Anwendung von Ladungsumkehr und Raumspiegelung entspricht.

Ob diese einzelnen Symmetrien bei Vorgängen unter Beteiligung der starken Wechselwirkung verletzt sein können, ist noch nicht abschließend geklärt. Bislang existieren jedoch dafür keine experimentellen Hinweise.

Grundlagen des CPT-Theorems

Obwohl die Invarianzen gegenüber den diskreten Transformationen P und CP in der Physik verletzt sind, besagt das CPT-Theorem, dass die Physik gegenüber der kombinierten Anwendung aller drei Transformationen invariant ist.

Dieses Theorem ist eine grundlegende Eigenschaft der Quantenfeldtheorie. So zeigte Wolfgang Pauli, dass jede Theorie CPT-invariant ist, die die folgenden Voraussetzungen erfüllt:

• Invarianz bezüglich Lorentz-Transformationen (genau genommen invariant unter eigentlicher orthochroner Poincaré-Transformation),
• Kausalität,
• Lokalität und
• ein nach unten beschränkter Hamilton-Operator, so dass es einen quantenmechanischen Zustand des Vakuums gibt.

Experimentelle Überprüfung und Suche nach einer CPT-Verletzung

Im Rahmen der heute erreichbaren Genauigkeit ist das CPT-Theorem experimentell bestätigt.^[1] Es gibt jedoch Theorien, die eine Verletzung des CPT-Theorems unterhalb dieser Genauigkeitsgrenze vorhersagen (so z. B. manche Stringtheorien^[2] oder Quantengravitationstheorien^[3]).

Aus einer CPT-Verletzung würde auch eine Verletzung der Lorentz-Invarianz und damit der Speziellen Relativitätstheorie folgen.^[4]

Neue Experimente, wie etwa an dem in Planung befindlichen Beschleunigerkomplex FAIR oder am CERN^[5][6], sollen über die Gültigkeit solcher Theorien entscheiden.

Siehe auch

• Parität (Physik)
• Zeitpfeil
• Paritätsverletzung
• CP-Verletzung

Weblinks

• Encyclopedia of Science and Technology: CPT (englisch)
• Lawrence Berkeley Lab: CPT symmetry (englisch)
• Eine thematisch sortierte Bibliographie (englisch)

Quellen

1. ↑ P. Bloch: CPT invariance tests in neutral kaon decay : The time evolution of a neutral kaon state state is described. CERN, Juni 2006. (PDF ; 0,2 MB ; Particle Data Group über CPT-Tests mit Kaonen ; englisch)
2. ↑ Don Colladay, Alan Kostelecky: CPT Violation and the Standard Model. Dezember 1996, Phys. Rev. D55, 6760-6774 (englisch)
3. ↑ J. Bernabeu, N. E. Mavromatos, J. Papavassiliou: Novel type of CPT violation for correlated EPR states. 2004, Phys. Rev. Lett. 92, 131601 (englisch)
4. ↑ O. W. Greenberg: CPT Violation Implies Violation of Lorentz Invariance. 28. Januar 2002, Phys. Rev. Lett. 89, 231602 (englisch)
5. ↑ Rainer Scharf: CPT-Test mit antiprotonischem Helium. pro-physik.de, 2. März 2007
6. ↑ Kjeld Eikema: The Antihydrogen Project : The CPT theorem and antimatter. Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), 20. März 2000 (englisch ; einführender Text zu CPT-Experimenten mit Anti-Wasserstoff)