חוקי הטבע מקיימים תכונה מופלאה, הם נראים בדיוק אותו הדבר כאשר מפעילים עליהם בו זמנית סדרה של שלוש פעולות: החלפת חלקיק באנטי-חלקיק (מסומן ב-C), שיקוף בעולם המראה (P) והיפוך כיוון הזמן (T). סדרת פעולות סימטרית זו נקראת CPT. האם סימטריית CPT היא אכן תכונה של הטבע? כיצד ניתן להעמידה למבחן בניסוי? קבוצת ״אלפא״, החוקרת אטומי אנטי מימן, עורכת במעבדת מאיץ החלקיקים CERN ניסוי שבוחן את קיום הסימטריה הזאת.

מאמר זה דן בשלוש טרנספורמציות יסודיות בטבע. דנו בעבר בכל אחת מהן בנפרד ומומלץ מאוד לקרוא את המאמרים הקודמים [1,2] בכדי להקל על קריאת מאמר זה.
 
בטבע, לצד החלקיקים, קיימים גם אנטי-חלקיקים. אנטי-חלקיקים דומים לחלקיקים בכל תכונותיהם, כמו המסה שלהם למשל, אבל שונים מהם במטענם. לדוגמה, הפוזיטרון הוא האנטי-חלקיק של האלקטרון; בעוד מסתו זהה לזו של האלקטרון, מטענו החשמלי חיובי ולא שלילי. אנחנו יודעים שלא קיימת סימטריה מלאה בין חלקיקים לבין אנטי-חלקיקים: קיימים ביקום יותר חלקיקים מאשר אנטי-חלקיקים (על כך תוכלו לקרוא בפוסט שלנו בנושא [1]). בייצוג מתמטי, הפעולה שמחליפה בין חלקיקים לאנטי-חלקיקים מסומנת באות C (מטען באנגלית).
 
בעבר גם כתבנו על פעולה נוספת שניתן לבצע על חלקיקים: פעולת הזוגיות (או שיקוף) - הפיכת עולמנו לעולם מראה. האם העולם המשתקף במראה זהה לעולמנו? מתברר שלא [2]. הפעולה המתמטית המחליפה את עולמנו בעולם המראה מסומנת באות P (האות הראשונה במילה "זוגיות" באנגלית).
 
פעולה מעניינת אחרת היא החלפת כיוון הזמן. במקום שהזמן ינוע קדימה הבה נחליף אותו בזמן הנע אחורה. גם הפעולה הזאת, המסומנת באות T (זמן באנגלית) [3], איננה סימטרית, כלומר קיים הבדל יסודי בין זמן הזורם קדימה לזמן הזורם אחורה, אפילו בקרב תהליכים בין חלקיקי יסוד בטבע.
 
מה יקרה אם נשלב את שלוש הפעולות C P T? כלומר מה יקרה אם בזה אחר זה נחליף את החלקיקים באנטי-חלקיקים, נחליף את העולם בעולם המראה, ובנוסף גם נהפוך את כיוון הזמן?
 
בפיזיקה, קיים משפט מתמטי בשם משפט CPT. משפט זה גורס שאם הטבע מציית לחוקי תורת היחסות הפרטית ואם פעולות הגומלין היסודיות בטבע (כוח הגרביטציה, הכוח החזק, החלש והאלקטרומגנטי) הן מקומיות (כלומר נקודתיות, קרי הן קורות בנקודה מסוימת אחת במרחב ובזמן, ולא מתפרסות על פני אזור מסוים), הרי שהפעולות המשולבות הנקראות CPT חייבות להוות סימטריה, כלומר המשפט גורס שקיימת סימטריה מלאה בין חוקי הטבע בעולמנו לבין עולם בו מפעילים את שלוש הפעולות CPT יחדיו.
 
ניתן להעמיד את משפט CPT למבחן. דוגמה מעניינת ועכשווית למבחן שכזה מבוצעת בידי קבוצת ״אלפא״ שעורכת את הניסוי במעבדת CERN שבז׳נבה [4]. קבוצת ״אלפא״ עוסקת בייצור אטומי אנטי-מימן. לעומת אטום מימן שמורכב מפרוטון ואלקטרון, אטום אנטי-מימן מורכב מאנטי-פרוטון (כלומר חלקיק הזהה לפרוטון, אך בעל מטען שלילי) ומפוזיטרון. כאמור, אנטי מימן צפוי להיות זהה למימן, אולם כל מטעניו הפוכים.
 
אטומים בטבע פולטים קרינת פוטונים כאשר אלקטרונים עוברים בין מצבי אנרגיה. אורכי הגל של הפוטונים הללו מאפיינים כל אטום בטבע, קרי לכל יסוד יש את ספקטרום רמות האנרגיה המייחד אותו [5]. על פי משפט CPT קרינת הפוטונים הנפלטת מאנטי-מימן צפויה להיות זהה לקרינה הנפלטת מאטום מימן. קבוצת ״אלפא״ מתעתדת לבחון בצורה מדוקדקת את ערכי האנרגיות בהם נפלטים פוטונים מאטומי אנטי-מימן ולהשוותם לערכי האנרגיות בהם נפלטים פוטונים מאטומי מימן.
אם יתברר שהערכים אינם זהים לחלוטין, כלומר גם אם קיימת חריגה קלה, הרי שמשפט CPT מופר!
 
כאן המקום לשאול: אם קיים משפט מתמטי הקובע שסימטריית CPT איננה מופרת מדוע יש לבדוק את הדבר בניסוי? ובכן, פיזיקה היא מדע אמפירי ועלינו לבחון את ההשערה כנגד הניסוי. בנוסף, המשפט מניח מספר הנחות ואין אנו בטוחים שההנחות הללו אכן מתקיימות בטבע.
 
ההנחה המעניינת מכולן היא כנראה ההנחה שפעולות הגומלין בטבע הן מקומיות (כלומר, כל תגובה מתרחשת  בנקודה מסוימת אחת ויחידה בזמן ובמרחב, כפי שנכתב לעיל. זאת בניגוד לפעולות גומלין שאינן מקומיות, המתרחשות במספר נקודות שונות בזמן ובמרחב). אם פעולות הגומלין היסודיות בטבע אינן מקומיות תתכן הפרה של סימטרית CPT ובמקרה זה תמדוד קבוצת ״אלפא״ הבדל בין אנרגיות אטום המימן לבין אנרגיות אטום האנטי-מימן.
 
מעניין לציין שבמסגרת תורת המיתרים שבה פעולת הגומלין איננה מקומית, תתכן הפרה [6] של סימטרית CPT. מה יראה הניסוי? ימים יגידו.

מקורות:

1. הפוסט על אנטי-חומר.
2. הפוסט על עולם המראה.
3. פוסט על חץ הזמן
4. קישור לדף של קבוצת ״אלפא״ בו הסבר לגבי הניסוי
5. פוסט שלנו בנושא רמות אנרגיה.
6. תרחישים לגבי הפרת CPT