[论文解读] 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 3

一句话总结

本论文通过利用中性K介子衰变中的CP破坏，否定了量子力学中时间算符的时空波函数（T.W.F.）模型。利用CPLEAR实验对不对称性 $ A_{2\to\pi}(t) $ 的精确数据，研究发现T.W.F.模型的预测与实验结果存在显著偏差——偏差达数十个标准差，从而彻底排除该模型作为量子理论中时间描述的可行性。

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.

研究动机与目标

• 检验时间算符模型——特别是时空波函数（T.W.F.）方法——是否能一致地描述量子力学中的衰变过程。
• 通过一个具有可观测CP破坏的体系，解决时间是否应被视为经典参数或量子算符这一基础性争论。
• 利用中性K介子衰变的高精度实验数据，区分T.W.F.模型与标准质量-衰变矩阵形式体系。
• 证明K介子系统中的CP破坏为区分标准量子力学与基于时间算符的模型提供了一个独特的实验检验平台。

提出的方法

• 将T.W.F.模型形式化为玻恩定律在时间域的推广，将衰变时间视为由时间算符决定的随机变量。
• 应用标准的韦斯科普夫-维格纳近似（WWA）来描述中性K介子的衰变，包括振荡及CP破坏的衰变振幅。
• 利用参数 $ \tilde{\epsilon}_S $ 和 $ \tilde{\epsilon}_L $ 推导T.W.F.模型中不对称性 $ A_{2\pi}(t) $ 的预测，这些参数与标准WWA值不同。
• 将T.W.F.模型的预测与CPLEAR实验在 $ 1 < t < 20\tau_S $ 范围内测量的 $ A_{2\pi}(t) $ 不对称性进行比较，同时使用理论值与实验值的 $ \epsilon $。
• 利用 $ \tilde{\epsilon}_S $ 依赖的不对称性曲线中T.W.F.与WWA预测之间的差异，评估该模型的可证伪性。
• 进行统计比较，显示T.W.F.模型的预测在 $ 1 < t < 10\tau_S $ 区间内与CPLEAR数据相差超过三十个标准差，表明其统计上被强烈否定。

实验结果

研究问题

• RQ1 T.W.F.时间算符模型能否在中性K介子体系中重现质量-衰变矩阵形式体系的标准预测？
• RQ2 K介子体系中的CP破坏是否能为标准量子力学中时间的处理与T.W.F.时间算符模型之间提供可观测的区分？
• RQ3 T.W.F.模型是否可通过中性K介子衰变中 $ A_{2\pi}(t) $ 不对称性的精确实验测量被证伪？
• RQ4 T.W.F.模型与标准WWA方法在 $ A_{2\pi}(t) $ 预测上的定量差异是多少？该差异是否可在实验中探测到？
• RQ5 能否基于CPLEAR实验对中性K介子CP破坏衰变的高精度数据，排除T.W.F.模型？

主要发现

• T.W.F.模型预测的时间依赖不对称性 $ A_{2\pi}(t) $ 与标准WWA方法存在显著差异，尤其在 $ 1 < t < 10\tau_S $ 范围内。
• CPLEAR实验在 $ 1 < t < 20\tau_S $ 范围内以高精度测量了 $ A_{2\pi}(t) $，实验数据与标准WWA预测高度一致。
• 在 $ 1 < t < 10\tau_S $ 区域，T.W.F.模型对 $ A_{2\pi}(t) $ 的预测与CPLEAR数据偏差超过30个标准差，表明存在强烈的统计证伪。
• 即使将T.W.F.模型的参数 $ \tilde{\epsilon}_S $ 和 $ \tilde{\epsilon}_L $ 调整至与实验值一致，该模型仍无法重现观测到的不对称性。
• 这种偏差的根源在于CP破坏的引入，而CP破坏在纯指数衰变模型中不存在，因此可实现有效区分。
• 结果在极高的置信水平下否定了T.W.F.模型，表明在此框架下，时间不能被视作量子算符，特别是在中性K介子衰变的背景下。