Das CPT-Theorem ist ein fundamentales Gesetz der Physik. Es besagt, dass zu jedem Vorgang der spiegelbildlich und zeitumgekehrt betrachtete und zusätzlich durch vertauschen von Materie mit Antimaterie aufgebaute 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 bezeichnet. Das CPT-Theorem wurde 1955 von Wolfgang Pauli entdeckt.
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 sind. 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 Zeitumkehr. 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.
Im Rahmen der heute erreichbaren Genauigkeit ist das CPT-Theorem experimentell bestätigt. Es gibt jedoch Theorien, die Abweichungen unterhalb dieser Genauigkeitsgrenze vorhersagen. Neue Teilchenbeschleuniger, wie etwa das in Planung befindliche FAIR, sollen über die Gültigkeit solcher Theorien entscheiden