CP 대칭성 위반

C 대칭성은 전하 켤레 대칭성으로, 입자를 그 반입자로 바꾸는 변환에 대한 대칭성을 말한다. 예를 들어, 전자를 양전자로, 쿼크를 반쿼크로 바꾸는 변환이다. 이 변환 하에서 물리 법칙이 불변하면 C 대칭성이 성립한다. 그러나 약한 상호작용은 C 대칭성을 심각하게 위반한다는 것이 실험적으로 확인되었다.

P 대칭성은 공간 반전 대칭성 또는 패리티 대칭성으로, 공간 좌표의 부호를 모두 바꾸는 변환(예: (x, y, z) → (-x, -y, -z))에 대한 대칭성을 말한다. 이는 거울에 비친 상과 같은 관계이다. 1956년 이전까지는 모든 기본 상호작용이 P 대칭성을 보존할 것이라고 믿어졌다. 그러나 리정다오와 양전닝은 약한 상호작용에서 P 대칭성이 위반될 가능성을 제기했고, 이는 채우샤오충의 코발트-60 실험으로 증명되었다[3].

C 대칭성과 P 대칭성이 각각 따로 위반된다는 발견 이후, 물리학자들은 두 변환을 연속적으로 적용한 CP 대칭성이 보존될지 여부에 관심을 가졌다. 즉, 입자를 반입자로 바꾸고 동시에 거울에 비친 상을 취했을 때 물리 법칙이 불변할 것이라고 기대했다. 이 기대는 CP 위반의 발견으로 무너지게 된다.

C 대칭성과 P 대칭성이 각각 전하와 공간에 대한 독립적인 변환을 나타낸다면, CP 대칭성은 이 두 변환을 연속적으로 적용하는 결합 변환을 의미한다. 즉, 어떤 물리적 과정이 CP 변환을 거쳤을 때 그 과정의 진폭이 부호만 다를 뿐 크기가 동일하게 유지된다면, 그 과정은 CP 대칭성을 가진다고 말한다.

구체적으로, 입자를 그 반입자로 바꾸는(C) 동시에 공간 좌표를 반전시키는(P) 변환이다. 예를 들어, 왼손잡이 전자는 CP 변환을 통해 오른손잡이 양전자로 바뀐다. 표준 모형의 많은 상호작용, 특히 전자기력과 강한 상호작용은 이 CP 대칭성을 따르는 것으로 알려져 있다.

그러나 약한 상호작용에서는 상황이 다르다. 1964년 이전까지는 약력도 CP 대칭성을 보존할 것이라고 믿어졌지만, 크로닌-피치 실험은 K 중간자 시스템에서 CP 대칭성이 위반됨을 발견했다. 이는 CP 변환을 적용한 과정이 원래 과정과 구별될 수 있음을 의미하며, 물리 법칙이 반입자 세계에서 거울상 세계로 바뀌어도 완전히 동일하지 않을 수 있다는 것을 보여주었다.

CP 대칭성의 보존 또는 위반은 입자 붕괴 속도와 관련된 관측 가능한 양으로 나타난다. 예를 들어, 어떤 입자가 특정 최종 상태로 붕괴하는 속도와, 그 입자의 반입자가 CP 변환된 최종 상태로 붕괴하는 속도를 비교했을 때 두 속도가 정확히 같다면 CP는 보존된 것이다. 두 속도에 차이가 존재한다면 CP 대칭성 위반이 발생한 것이다. 이러한 위반은 CKM 행렬 내에 존재하는 복소수 위상에 기인할 수 있다.

1964년 크로닌과 피치가 이끄는 연구팀은 브룩헤이븐 국립 연구소의 AGS 가속기를 이용한 실험에서 CP 대칭성이 붕괴되는 현상을 처음으로 관측했다. 이 실험은 K 중간자 계, 특히 K_L 중간자의 붕괴 모드를 정밀하게 분석하는 것이 핵심이었다.

당시 이론에 따르면, CP 대칭성이 보존된다면 K_L 중간자는 CP 홀수 상태로, 3개의 파이 중간자로 붕괴해야 했다. 그러나 실험 결과, 약 0.2%의 작은 확률로 K_L 중간자가 2개의 파이 중간자로 붕괴하는 현상이 관측되었다. 2개의 파이 중간자로의 붕괴는 CP 짝수 상태에 해당하므로, 이는 CP 대칭성이 붕괴되었음을 의미하는 결정적 증거였다.

이 발견은 입자물리학에 지대한 영향을 미쳤다. CP 대칭성 위반의 존재는 물질과 반물질이 완전히 동일한 방식으로 행동하지 않음을 보여주었으며, 이는 우주 초기 물질이 반물질보다 우세하게 된 원인을 설명하는 데 핵심적인 단서가 되었다. 이 공로로 크로닌과 피치는 1980년 노벨 물리학상을 수상했다.

B 중간자 팩토리 실험은 1990년대 말부터 2000년대에 걸쳐 본격화되어, 표준 모형이 예측하는 CP 대칭성 위반의 패턴을 정밀하게 검증하는 데 결정적인 역할을 했다. 이 실험들은 전용 입자 가속기인 'B 팩토리'를 이용해 대량의 B 중간자 쌍을 생성하고 그 붕괴 과정을 분석했다. 일본의 KEK에 있는 Belle 실험과 미국 SLAC의 BaBar 실험이 대표적인 공동 연구 프로젝트이다.

이 실험들의 핵심은 B0 중간자와 그 반입자인 반 B0 중간자가 서로 진동하며(B 중간자 진동), 이 과정에서 CP 위반이 발생하는 특정 붕괴 경로의 비율을 비교하는 것이다. 예를 들어, B0가 J/ψ 중간자와 KS 중간자로 붕괴하는 모드(B0 → J/ψ KS)는 CP 위반 효과가 CKM 행렬의 하나의 각도(β 또는 φ1)에 직접 연결되어 있다. 실험자들은 두 중간자의 생성 및 붕괴 시점을 정밀하게 측정하여 시간에 따른 붕괴 비율의 비대칭성을 관측했다.

실험 결과는 표준 모형의 예측과 높은 정확도로 일치했으며, CP 위반의 주요 원인이 약한 상호작용의 CKM 행렬에 있음을 강력히 지지했다. 주요 측정값은 다음과 같다.

B 팩토리 실험은 다른 붕괴 모드에서의 CP 위반도 탐색하여, 표준 모형의 CKM 메커니즘을 넘어서는 새로운 물리 현상의 가능성을 조사했다. 이 실험들이 축적한 방대한 데이터는 B 물리학의 기초를 마련했으며, 이후 LHC의 LHCb 실험 등 후속 연구로 이어졌다.

표준 모형에서 CP 대칭성 위반은 쿼크의 약한 상호작용을 기술하는 카비보-코바야시-마스카와 행렬(CKM 행렬)에 기인한다. 이 행렬은 약한 상호작용을 통해 서로 다른 세대의 쿼크가 섞이는 정도를 결정하는 복소수 위상 인자를 포함한다. 이 복소수 위상이 0이나 π가 아니면, 입자와 반입자 사이의 변환 과정에서 위상 차이가 발생하여 CP 대칭성이 위반된다.

CKM 행렬은 3×3 유니터리 행렬로, 세 세대의 쿼크(위 쿼크, 아래 쿼크, 맵시 쿼크, 기묘 쿼크, 꼭대기 쿼크, 바닥 쿼크) 사이의 결합 세기를 나타낸다. CP 위반은 이 행렬의 단 하나의 측정 가능한 복소수 위상(δ13)에 의해 발생한다. 이 위상은 쿼크 섞임의 단위 삼각형의 면적과 직접적으로 관련되어 있으며, 이 삼각형의 면적이 0이 아니어야 CP 위반이 일어난다.

표준 모형 내에서의 CP 위반은 중간자 시스템, 특히 K 중간자와 B 중간자의 붕괴에서 관측된 비대칭성을 정량적으로 설명하는 데 성공했다. 예를 들어, B 팩토리 실험에서 측정된 B0 중간자와 반 B0 중간자가 특정 붕괴 경로를 통해 J/ψ 중간자와 KS 중간자로 붕괴할 때의 비율 차이는 CKM 행렬의 위상에 의한 예측과 잘 일치한다.

그러나 표준 모형의 CKM 메커니즘으로 설명할 수 있는 CP 위반의 크기는 관측된 우주 물질-반물질 비대칭성을 설명하기에는 매우 부족한 것으로 여겨진다. 이는 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학, 예를 들어 초대칭이나 렙토시대와 같은 모형에서 추가적인 CP 위반 원인이 존재할 가능성을 시사한다.

강한 CP 문제는 표준 모형의 양자 색역학 부분에서 자연스럽게 예측되는 CP 위반의 크기가 관측된 값보다 훨씬 크다는 이론과 실험 간의 심각한 불일치를 가리킨다. 양자 색역학의 라그랑지안에는 일반적으로 CP 위반 항인 소위 θ 항이 포함된다. 이 항의 세기를 나타내는 무차원 매개변수 θ_QCD는 이론상 0에서 2π 사이의 임의의 값을 가질 수 있다.

이 θ 매개변수는 중성 파이온과 같은 중성 유사스칼라 중간자의 쌍생성에 영향을 미쳐, 예를 들어 중성자의 전기 쌍극자 모멘트를 생성한다. 이론적 계산에 따르면, θ 값이 1 정도만 되어도 중성자의 전기 쌍극자 모멘트는 약 10^(-15) e·cm 정도로 예측된다. 그러나 극도로 정밀한 실험 측정 결과, 중성자의 전기 쌍극자 모멘트는 10^(-26) e·cm보다 작은 것으로 확인되었다[7]. 이는 θ 매개변수가 10^(-10)보다도 훨씬 작아야 함을 의미한다.

이처럼 θ 값이 극도로 작거나 거의 0이라는 사실은 왜 그런지에 대한 설명이 표준 모형 내부에는 존재하지 않는다. 이는 미세 조정 문제의 한 예로, 자연계에서 CP 위반이 약한 상호작용에서는 관측되지만, 강한 상호작용에서는 극도로 억제되어 있는 이유를 설명해야 한다. 이 문제를 해결하기 위한 가장 유력한 이론적 제안은 페체이-퀸 이론이다. 이 이론은 추가적인 축색자라는 새로운 예비자를 도입하여 θ 값을 동적으로 0으로 만드는 메커니즘을 제공한다.

중간자 붕괴 비대칭성은 CP 대칭성 위반이 가장 직접적으로 관측되는 현상 중 하나이다. 이는 중간자가 붕괴할 때, 입자와 반입자의 붕괴 속도나 분기비에 차이가 생기는 현상을 가리킨다. 만약 CP 대칭성이 완벽하게 보존된다면, 어떤 중간자와 그 반입자의 특정 붕괴 모드로의 붕괴율은 정확히 같아야 한다. 그러나 실험적으로 이 붕괴율의 차이, 즉 비대칭성이 관측되면 그것은 CP 대칭성이 위반되고 있음을 의미하는 강력한 증거가 된다.

초기 결정적인 관측은 K 중간자 시스템에서 이루어졌다. 크로닌-피치 실험은 긴 수명 K 중간자(K_L)가 2파이온 상태(π+ π-)로 붕괴하는 과정에서 CP 위반이 발생함을 발견했다[9]. 이는 K_L의 붕괴에서 CP가 -1인 상태가 +1인 최종 상태로 전이됨을 보여주었다. 이후 B 중간자 시스템에서 훨씬 더 큰 CP 위반 효과가 관측되었다. 예를 들어, B^0 중간자가 J/ψ와 K_S^0로 붕괴하는 모드와 그 반입자인 B^0바가 동일한 최종 상태로 붕괴하는 모드 사이의 시간에 따른 붕괴 비율 비대칭성을 측정함으로써 CP 위반을 정밀하게 연구할 수 있었다.

이러한 비대칭성은 일반적으로 다음과 같은 식으로 정의된다.

직접 CP 위반은 붕괴 진폭 자체에서의 차이로 인해 발생하며, D 중간자 시스템 등에서도 관측되었다. 간접 CP 위반은 중성 중간자가 자신의 반입자 상태로 진동하는 과정과 CP 위반이 결합되어 나타나는 현상으로, B 중간자 팩토리인 KEKB와 PEP-II 가속기 실험에서 정밀 측정되었다. 이러한 중간자 붕괴 비대칭성의 측정은 표준 모형 내에서 CP 위반의 원인으로 여겨지는 CKM 행렬의 위상 값을 제약하고 검증하는 데 결정적인 데이터를 제공한다.

중성미자 진동은 중성미자가 생성된 맛깔 고유상태와 전파되며 측정되는 상태가 서로 다를 때 발생하는 양자역학적 현상이다. 이는 중성미자가 질량을 가지며, 맛깔 고유상태와 질량 고유상태가 일치하지 않는다는 사실에서 기인한다. 진동의 확률은 중성미자의 질량 제곱차와 이동 거리, 에너지에 의존한다.

CP 위반은 중성미자와 반중성미자의 진동 확률이 서로 다를 때 관측될 수 있다. 이는 렙톤 섹터에서의 CP 위반으로, CKM 행렬과 유사한 역할을 하는 PMNS 행렬의 복소수 위상에 의해 설명된다. 이 위상각은 중성미자가 마요라나 입자인지 디랙 입자인지에 따라 물리적 의미가 달라진다.

실험적으로 중성미자 CP 위반을 검증하기 위해서는 전자 중성미자와 뮤온 중성미자의 출현 비율을 정밀하게 비교해야 한다. 주요 실험들은 다음과 같은 특징을 가진다.

현재까지의 관측 데이터는 CP 위반 위상각이 0이 아닐 가능성을 시사하지만, 통계적 확실성에는 도달하지 못했다. 중성미자 CP 위반의 발견은 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리 현상을 탐구하고, 우주의 물질-반물질 비대칭성을 설명하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

우주에서 관측되는 물질과 반물질의 비대칭성, 즉 중입자 비대칭성은 현대 우주론과 입자물리학의 주요 미해결 과제 중 하나이다. 관측 가능한 우주는 거의 전적으로 물질로 구성되어 있으며, 반물질은 극소량만 존재하는 것으로 보인다. 이 현상은 빅뱅 초기에는 물질과 반물질이 동등하게 생성되었을 것이라는 표준 모형의 예측과 명백히 모순된다. 이러한 불균형을 설명하기 위해서는 물리 법칙에 물질을 반물질보다 약간 더 많이 생성하도록 하는 비대칭 메커니즘이 존재해야 한다.

1967년 안드레이 사하로프는 우주에서 물질이 우세하게 되는 데 필요한 세 가지 조건을 제시했다. 이 조건들은 사하로프 조건으로 알려져 있다. 첫째, 중입자수 보존 법칙이 위반되어야 한다. 둘째, C 대칭성과 CP 대칭성이 모두 위반되어야 한다. 셋째, 과정이 열평형 상태에서 벗어나야 한다. 표준 모형은 CKM 행렬을 통해 CP 위반을 포함하고 있으며, 또한 스팔레론 과정을 통해 고에너지에서 중입자수가 위반될 수 있다. 그러나 표준 모형에서 예측하는 CP 위반의 크기는 관측된 중입자 비대칭성의 크기를 설명하기에는 훨씬 부족한 것으로 평가된다.

따라서, 관측된 중입자 비대칭성을 설명하는 것은 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학의 존재를 강력히 시사한다. 많은 표준 모형 너머의 물리학 모델들, 예를 들어 초대칭 이론, 렙토시대, 혹은 중입자 생성 메커니즘들은 추가적인 CP 위반 원천과 중입자수 위반 과정을 제공하여 이 문제를 해결하려고 시도한다. 입자 가속기 실험과 우주론적 관측을 통해 CP 위반의 정확한 크기와 특성을 측정하는 것은, 우주의 물질 지배 현상을 이해하는 동시에 새로운 기본 물리 법칙을 탐구하는 핵심 열쇠이다.

사하로프 조건은 안드레이 사하로프가 1967년 제안한 세 가지 조건으로, 우주의 물질과 반물질 간의 불균형, 즉 중입자 비대칭성이 발생하기 위해 필요한 필수 요건을 규정한다. 이 조건들은 빅뱅 이후 초기 우주에서 물질이 우세하게 된 과정을 설명하는 이론적 틀을 제공한다.

사하로프가 제시한 세 가지 조건은 다음과 같다.

1. 중입자수 불보존: 우주 전체의 총 중입자수가 보존되지 않는 과정이 존재해야 한다. 만약 보존된다면 초기 우주의 중입자와 반중입자의 수는 같았을 것이며, 이후에도 그 차이가 생길 수 없다.

2. C 대칭성과 CP 대칭성 위반: 전하 켤레 대칭성과 CP 대칭성이 위반되어야 한다. C 대칭성이 보존되면 물질에서 일어나는 과정은 반물질에서 일어나는 과정과 정확히 같은 속도로 진행된다. CP 대칭성이 추가로 위반되어야 물질과 반물질의 붕괴 속도에 차이가 생겨 순수한 중입자 잔류물이 남을 수 있다.

3. 열적 평형으로부터의 이탈: 우주가 열적 평형 상태에 있지 않아야 한다. 평형 상태에서는 시간 역전 대칭성이 성립하여 모든 과정의 정반대 과정도 같은 비율로 일어나게 되어, 순 효과가 제로가 되기 때문이다[10].

이 조건들은 표준 모형 내에서 부분적으로 만족된다. 예를 들어, 약한 상호작용은 C와 CP 대칭성을 위반하며, 초고온 상태에서 스페르마온과 같은 과정을 통해 중입자수를 위반할 수 있다. 그러나 표준 모형에서 예측하는 중입자수 위반의 크기는 관측된 우주의 물질-반물질 비대칭성을 설명하기에 훨씬 부족하다. 이 불일치는 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리학, 예를 들어 대통일 이론이나 렙토시대와 같은 모형에서 더 큰 규모의 CP 위반과 중입자수 위반 과정이 존재할 가능성을 시사한다.

입자 가속기 실험은 CP 대칭성 위반을 연구하고 정밀하게 측정하는 핵심적인 방법이다. 이 실험들은 주로 B 중간자나 D 중간자와 같이 무거운 쿼크로 이루어진 불안정한 입자를 대량으로 생성하여, 그 붕괴 과정에서 CP 위반 효과를 관측한다. 이를 위해 전자와 양전자, 혹은 양성자와 양성자를 고에너지로 충돌시키는 특수한 가속기 시설이 사용된다.

B 중간자 연구를 위한 대표적인 시설로는 일본의 KEK에 있는 Belle 실험과 미국 SLAC의 BaBar 실험이 있다. 이들은 전자와 양전자를 충돌시켜 B 중간자와 그 반입자인 반 B 중간자 쌍을 생성하는 'B 팩토리'로 운영되었다. 두 실험은 B 중간자가 맵 쿼크와 맵 쿼크로 붕괴하는 과정 등에서 예측된 CP 위반을 확증했으며, 표준 모형의 CKM 행렬 매개변수를 정밀하게 측정하는 데 결정적인 기여를 했다.

현재 운영 중인 대형 강입자 충돌기인 LHC에서는 양성자-양성자 충돌을 통해 B 중간자를 포함한 다양한 입자를 훨씬 더 높은 속도로 생성한다. LHC의 주요 검출기 중 하나인 LHCb 실험은 B 중간자 물리학에 특화되어, 희귀 붕괴 과정에서의 CP 위반 효과를 탐색하고 표준 모형의 예측을 더욱 정밀하게 검증한다. 또한, D 중간자 시스템에서의 CP 위반 연구도 활발히 진행되고 있다.

이러한 실험들은 CP 위반의 크기를 측정하는 것뿐만 아니라, 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리 현상의 신호를 찾는 것을 목표로 한다. 예를 들어, 표준 모형이 예측하는 것보다 훨씬 큰 CP 위반이 관측된다면, 초대칭이나 추가적인 힉스 입자 등 새로운 물리 이론의 증거가 될 수 있다.

중성미자의 CP 위반 현상은 중성미자가 진동을 하면서 맛깔이 변하는 과정에서 관측되는 비대칭성을 의미한다. 이는 렙톤 세대에 존재하는 복잡한 위상이 원인이며, 표준 모형을 넘어서는 새로운 물리 현상을 탐구하는 중요한 창구 역할을 한다.

중성미자 CP 위반의 관측은 주로 대규모 중성미자 검출기를 이용한 장기 실험을 통해 이루어진다. 대표적인 실험으로는 T2K 실험, NOvA 실험, 그리고 미래에 가동될 DUNE 실험과 하이퍼-카미오칸데가 있다. 이러한 실험들은 인공적으로 생성된 중성미자 또는 대기 중성미자 빔의 진동 확률을 정밀하게 측정하여, 중성미자와 반중성미자의 진동 확률 차이를 검출한다.

이러한 관측 결과는 PMNS 행렬에 포함된 CP 위반 위상각을 결정하는 데 직접적으로 기여한다. 만약 중성미자 CP 위반이 확인된다면, 그것은 우주 초기 렙톤 생성 과정과 현재 관측되는 물질-반물질 비대칭성을 설명하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다. 특히, 사하로프 조건 중 하나인 C 및 CP 대칭성 위반이 렙톤 부문에서도 일어난다는 강력한 증거가 될 것이다.

초대칭 이론은 표준 모형을 넘어서는 가장 유력한 이론적 확장 중 하나로, 페르미온과 보손 사이의 대칭성을 도입한다. 이 이론은 표준 모형의 여러 문제점, 예를 들어 계층 구조 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제공하며, 동시에 새로운 CP 위반의 원천을 풍부하게 포함할 수 있다. 표준 모형에서는 CP 위반이 쿼크 섞임을 기술하는 CKM 행렬의 복소 위상 단 하나에만 의존하지만, 초대칭 모형에서는 여러 새로운 복소 매개변수가 등장하여 추가적인 CP 위반 효과를 만들어낸다.

초대칭 모형에서 CP 위반은 크게 두 가지 경로를 통해 발생할 수 있다. 첫째는 초대칭 입자의 질량 행렬 자체에 포함된 새로운 복소 위상들이다. 예를 들어, 글루이노, 중성미자, 차지노 등의 질량 항과 상호작용 항에는 표준 모형에는 없는 많은 복소 위상이 존재한다. 둘째는 초대칭 깨짐 메커니즘과 관련된 매개변수들이다. 가장 간단한 최소 초대칭 표준 모형(MSSM)에서도 표준 모형의 CKM 위상 외에 40개 이상의 새로운 CP 위반 위상을 도입할 수 있다[12].

이러한 풍부한 CP 위반 원천은 실험적으로 검증 가능한 여러 예측을 한다. 초대칭 CP 위반은 전기 쌍극자 모멘트(EDM) 측정에 민감한 영향을 미친다. 예를 들어, 전자나 중성자의 EDM은 표준 모형의 예측보다 훨씬 크게 증가할 수 있다. 현재 진행 중인 정밀 실험들은 이러한 초대칭 기여를 탐색하고 있다. 또한, B 중간자나 K 중간자 시스템에서 관측되는 CP 위반 현상들에 대한 초대칭의 보정 효과도 중요하게 연구된다.

그러나, 이러한 많은 새로운 CP 위반 위상들은 동시에 강한 CP 문제를 더욱 악화시킬 수 있는 위험을 내포한다. 따라서 초대칭 모형은 자연스럽게 강한 CP 문제를 해결하는 메커니즘, 예를 들어 펙세이-퀸-위니버그 메커니즘 등을 함께 도입해야 하는 경우가 많다. 요약하면, 초대칭 이론은 표준 모형을 넘어서는 CP 위반 연구의 핵심적인 프레임워크를 제공하며, 현재와 미래의 정밀 실험들을 통해 그 존재 여부와 형태가 검증될 것으로 기대된다.

렙토시대는 표준 모형을 넘어서는 CP 대칭성 위반의 한 가능성으로 제안된 이론적 프레임워크이다. 이는 쿼크 섹터에서의 CP 위반 원인인 CKM 행렬과 유사하게, 렙톤 섹터에 존재하는 중성미자의 질량 고유 상태와 맛깔 고유 상태를 연결하는 섞임 행렬을 통해 CP 위반을 설명한다. 이 행렬은 폰테코르보-마키-나카가와-사카타 행렬로 알려져 있으며, 복소수의 위상 차이는 렙톤 계에서의 CP 위반을 유발한다.

렙토시대의 존재는 여러 관측 가능한 현상을 예측한다. 가장 중요한 것은 중성미자 진동 현상에서 관측되는 CP 위반이다. 만약 중성미자와 반중성미자의 진동 확률이 다르다면, 이는 렙톤 계에서의 CP 위반을 직접적으로 증명하는 것이 된다. 또한, 무중성 이중 베타 붕괴와 같은 매우 드문 핵과정의 속도에도 영향을 미칠 수 있다.

이러한 렙톤 계의 CP 위반은 우주론의 근본적인 질문인 중입자 비대칭성을 설명하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있다. 사하로프 조건 중 하나인 C 대칭성과 CP 대칭성의 위반이 렙톤 계에서 충분히 강하게 발생한다면, 렙토시대 메커니즘을 통해 우주 초기에 물질이 반물질보다 우세하게 되는 과정을 설명할 수 있다. 이는 쿼크 섹터의 CP 위반만으로는 설명하기 부족한 현상을 보완한다.

실험적으로는 중성미자 진동 실험을 통해 렙토시대를 탐구한다. 주요 실험들[13]은 중성미자와 반중성미자의 진동 확률 차이를 정밀하게 측정하여 PMNS 행렬의 위상각을 결정하고, 궁극적으로 렙톤 계 CP 위반의 존재와 크기를 규명하는 것을 목표로 한다.