[論文レビュー] Falsification of a Time Operator Model based on Charge-Conjugation-Parity violation of neutral K-mesons

Thomas Durt, A. Di Domenico+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 2015

Quantum optics and atomic interactions参考文献 47被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、中性K中間子崩壊におけるCP対称性の破れを用いて、量子力学における時間演算子の時間波動関数（T.W.F.）モデルを反証した。精密なCPLEAR実験データを用い、時間依存の非対称性 $ A_{2\pi}(t) $ について、T.W.F.モデルの予測が実験結果から数十標準偏差も逸脱していることが示された。これにより、T.W.F.モデルは量子理論における時間の記述として妥当ではないことが明らかになった。

ABSTRACT

The founding fathers of the quantum theory already struggled with the different roles of space and time in quantum theory. Position is by default represented by an operator, whereas time is usually treated as a parameter. Time operator models exist, in particular a certain Time Operator model denoted the Temporal Wave Function (T.W.F.). This one extends the Born's rule to the time domain. The statistics of pure exponential decay does not allow to exclude this Born rule for time. However the tiny violation of the combined discrete symmetries $P$ (parity) and $C$ (charge conjugation) observed in the K-meson system allows us, as we prove in this paper, to discriminate between the standard predictions, made in the framework of the so-called mass-decay matrix formalism, and the T.W.F. predictions. We also present experimental data of a particular $CP$ violating decay channel, that is in contrast with the prediction of T.W.F. approach model, resulting in its falsification.

研究の動機と目的

• 時間演算子モデル、特に時間波動関数（T.W.F.）アプローチが、量子力学における崩壊過程を一貫して記述できるかどうかを検証すること。
• 測定可能なCP対称性の破れを有する系を用いて、時間が古典的パラメータか量子演算子かという基礎的論争を解決すること。
• 中性カイオン崩壊に関する高精度実験データを用いて、T.W.F.モデルと標準的な質量崩壊行列形式を区別すること。
• CP対称性の破れが、標準量子力学と時間演算子に基づくモデルを区別するための独自の実験的試験台を提供することを示すこと。

提案手法

• T.W.F.モデルを、時間領域におけるボルンの法則の一般化として形式化し、崩壊時間を時間演算子に従う確率的変数として扱う。
• 中性カイオンの崩壊を記述するために、標準的なワイズコフ＝ウィグナー近似（WWA）を適用し、振動およびCP対称性の破れを伴う崩壊振幅を含む。
• パラメータ $ \tilde{\epsilon}_S $ および $ \tilde{\epsilon}_L $ を用いて、T.W.F.モデルにおける非対称性 $ A_{2\pi}(t) $ の予測を導出する。これらは標準的WWAの値とは異なる。
• 理論的および実験的値を用いた $ \epsilon $ の範囲で、T.W.F.予測とCPLEAR実験で測定された $ A_{2\pi}(t) $ 非対称性を、$ 1 < t < 20\tau_S $ の範囲で比較する。
• T.W.F.とWWAの予測の差異、特に $ \tilde{\epsilon}_S $ に依存する非対称性曲線の乖離を用いて、T.W.F.モデルの反証可能性を評価する。
• 統計的比較により、T.W.F.モデルの予測が、特に $ 1 < t < 10\tau_S $ の領域でCPLEARデータから数十標準偏差も離れていることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T.W.F.時間演算子モデルは、中性K中間子系における標準的な質量崩壊行列形式の予測を再現できるか？
• RQ2 K中間子系におけるCP対称性の破れは、時間の標準的量子力学的取り扱いとT.W.F.時間演算子モデルとの間で測定可能な差を生じるか？
• RQ3 T.W.F.モデルは、中間子崩壊における $ A_{2\pi}(t) $ 非対称性の高精度測定によって反証可能か？
• RQ4 T.W.F.モデルと標準的WWAアプローチとの間で、$ A_{2\pi}(t) $ の予測に生じる定量的差異は何か？そして、それは実験的に検出可能か？
• RQ5 CPLEAR実験による中性カイオンのCP対称性の破れ崩壊に関する高精度データに基づいて、T.W.F.モデルは除外可能か？

主な発見

• T.W.F.モデルは、特に $ 1 < t < 10\tau_S $ の範囲で、標準的WWAアプローチとは著しく異なる時間依存非対称性 $ A_{2\pi}(t) $ を予測する。
• CPLEAR実験は、$ 1 < t < 20\tau_S $ の範囲で $ A_{2\pi}(t) $ を高い精度で測定しており、そのデータは標準的WWA予測と良好に一致している。
• T.W.F.モデルの $ A_{2\pi}(t) $ 予測は、$ 1 < t < 10\tau_S $ の領域でCPLEARデータから30以上標準偏差も逸脱しており、強い統計的反証が示された。
• T.W.F.パラメータ $ \tilde{\epsilon}_S $ および $ \tilde{\epsilon}_L $ を実験値に合わせて調整しても、モデルは観測された非対称性を再現できない。
• この差異は、純粋な指数関数的崩壊モデルには存在しないCP対称性の破れに起因しており、これが区別を可能にしている。
• 結果として、T.W.F.モデルは非常に高い信頼水準で反証され、中性カイオン崩壊の文脈において、時間はこの枠組み内では量子演算子として取り扱えないことが示された。