电荷共轭宇称

物理学中，电荷共轭宇称（英语：charge conjugate parity、charge parity或C parity，可标为CP）是粒子的相乘量子数，用以描述一些粒子在电荷共轭的对称运算下的行为。

电荷共轭改变所有量子荷（quantum charge）的正负号，这些量子荷为相加量子数，包括有电荷、重子数与轻子数，以及味荷如奇异数、魅数、底数、顶数与同位旋（I₃）。相对地，电荷共轭不改变粒子的质量、线动量或自旋。

数学形式

考虑一运算${\mathcal {C}}$可将一粒子转变成其反粒子：

${\mathcal {C}}\,|\psi \rangle =|{\bar {\psi }}\rangle$。

两个状态都必须是可归一化，因此

$1=\langle \psi |\psi \rangle =\langle {\bar {\psi }}|{\bar {\psi }}\rangle =\langle \psi |{\mathcal {C}}^{\dagger }{\mathcal {C}}|\psi \rangle$，

意味著${\mathcal {C}}$是幺正的：

${\mathcal {C}}{\mathcal {C}}^{\dagger }=\mathbf {1}$。

对此粒子进行重复两次的${\mathcal {C}}$运算，

${\mathcal {C}}^{2}|\psi \rangle ={\mathcal {C}}|{\bar {\psi }}\rangle =|\psi \rangle$，

可以看出${\mathcal {C}}$有如下性质：

${\mathcal {C}}^{2}=\mathbf {1}$

${\mathcal {C}}={\mathcal {C}}^{-1}$。

将所有性质统整可得：

${\mathcal {C}}={\mathcal {C}}^{\dagger },$

意即电荷共轭算符是自伴算符，也因此是一个可观测物理量。

本征值与本征态

电荷共轭 ${\mathcal {C}}$ 运算的本征态$|\psi \rangle$与本征值$\eta _{C}$关系如下：

${\mathcal {C}}\,|\psi \rangle =\eta _{C}\,|\psi \rangle$。

如同宇称，重复${\mathcal {C}}$运算两次，则粒子状态不变：

${\mathcal {C}}^{2}|\psi \rangle =\eta _{C}{\mathcal {C}}|{\psi }\rangle =\eta _{C}^{2}|\psi \rangle =|\psi \rangle$，

使得本征值$\eta _{C}$只能为$\pm 1$。此称为粒子的电荷共轭宇称。

上面的条件意味著${\mathcal {C}}|\psi \rangle$与$|\psi \rangle$有相同的量子荷，因此只有真正中性的系统（所有量子荷与磁矩皆为零）是电荷共轭宇称的本征态。符合此条件的有：

• 光子
• 正反粒子约束态，如中性π介子（π⁰）、η介子、正电子素。

电荷共轭宇称守恒的实验验证

• $\pi ^{0}\rightarrow 2\gamma$：观测到中性π介子$\pi ^{0}$会衰变为双光子γ+γ，因此我们可认定π介子有$\eta _{C}=(-1)^{2}=1$的性质。然而，每增加一个γ会在π介子的电荷共轭宇称中引入一个-1的因子；衰变成3γ则会违反电荷共轭宇称守恒。过去曾进行了此种衰变的实验验证，其中应用到产生π介子的反应过程：$\pi ^{-}+p\rightarrow \pi ^{0}+n$。

• $\eta \rightarrow \pi ^{+}\pi ^{-}\pi ^{0}$：η介子的衰变。

• $p{\bar {p}}$湮灭。

相关条目

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• CP破坏