歐洲核子研究中心LHCb探測器

(陳繕真：意大利核物理研究院)在歐洲核子研究中心(CERN)的LHCb實驗今日(2019年3月21日)在Rencontres de Moriond會議上和一個特別的CERN研討會上同時宣布，他們發(fā)現(xiàn)了D0粒子的正-反物質(zhì)不對稱性，或稱為電荷-宇稱不守恒。這是一個在粒子物理發(fā)展歷史上的里程碑式的研究結(jié)果，也必將改寫粒子物理學(xué)的教科書。

“電荷-宇稱”變換是指一個粒子與其鏡像反粒子之間的變換。粒子物理學(xué)標準模型中的弱相互作用可以在在電荷-宇稱變換中引入一點微小的差異，進而使得正反物質(zhì)在宇宙中的行為略有不同。而這一點點微小的差異正是解釋宇宙中幾乎只存在正物質(zhì)的關(guān)鍵之所在。

在宇宙大爆炸之初，宇宙是一個熾熱的純能量奇點。隨著宇宙的膨脹與冷卻，宇宙中的能量轉(zhuǎn)化成了大量的正-反粒子對，此時正反物質(zhì)總量是一樣多的。

隨著宇宙冷卻與膨脹的加劇，大量的正-反粒子又重新彼此結(jié)合，湮滅為光子，成為了至今遍布宇宙中的微波背景輻射。然而在這個過程中，正反粒子的行為出現(xiàn)了些許不同，每十億個正反粒子湮滅的過程中，有了一個正物質(zhì)粒子被留了下來。正是這十億分之一殘留的正物質(zhì)，使得如今宇宙不是空無一物，也組成了當今宇宙中所有的物質(zhì)。

破缺的“鏡像”

為何猶如鏡像一般的正反物質(zhì)會有不一樣的表現(xiàn)?這是粒子物理學(xué)家們幾十年來所一直探求的問題。

1956年，由李政道與楊振寧理論預(yù)言，并由華裔物理學(xué)家吳健雄實驗證實，發(fā)現(xiàn)了正反粒子的“宇稱”不守恒。也就是在微觀粒子世界，“左”與“右”并不完全相等。而在1964年，詹姆斯o克羅寧和瓦爾o菲奇在中性K粒子(奇異夸克系統(tǒng))的衰變中發(fā)現(xiàn)了電荷-宇稱聯(lián)合對稱性破缺，這揭示了正反粒子行為的微小差異。這個發(fā)現(xiàn)對當時的粒子物理學(xué)帶來了巨大的沖擊，也為粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的核心問題打開了大門。

1973年，在物理學(xué)家卡比博的研究的基礎(chǔ)上，小林誠和益川敏英建立了卡比博-小林-益川矩陣，給出了電荷-宇稱不守恒存在的必要條件，并在第二代夸克尚未完全發(fā)現(xiàn)的情況下預(yù)言了第三代夸克的存在。三代夸克的模型與輕子和相應(yīng)的相互作用一起，奠定了如今粒子物理學(xué)標準模型的基礎(chǔ)。

1974年，伯頓o里克特和丁肇中的團隊分別同時發(fā)現(xiàn)了第二代夸克中的缺席者——璨夸克。之后，第三代夸克中的底夸克與頂夸克分別于1977年和1995年在加速器中發(fā)現(xiàn)。至此，三代夸克的六種“味道”被全部發(fā)現(xiàn)。

進入新世紀之后，底夸克系統(tǒng)中的電荷-宇稱不守恒的現(xiàn)象被BaBar實驗和Belle實驗于2001年發(fā)現(xiàn)。由于第一代夸克(上夸克，下夸克)質(zhì)量太輕太過穩(wěn)定，而頂夸克壽命太短無法形成強子，到今天之前，強子衰變中電荷-宇稱不守恒的現(xiàn)象唯一的一塊缺失的一片拼圖就是璨夸克系統(tǒng)中的電荷-宇稱不守恒。

而今天，這塊缺失的拼圖被找到了。

電荷-宇稱鏡像下的D0粒子衰變

為了尋找璨夸克系統(tǒng)中的電荷-宇稱不守恒，研究人員用了大型強子對撞機上的LHCb實驗在2011年到2018年間采集的所有數(shù)據(jù)中數(shù)千萬個D0粒子和它的反粒子的K或π粒子衰變事例來尋找正反粒子衰變中的微小差異。

這一前所未有的大數(shù)據(jù)量，帶給了這一測量空前的靈敏度。在今天公布的研究結(jié)果具有5.3標準偏差的統(tǒng)計顯著性，超過粒子物理學(xué)家用于聲明發(fā)現(xiàn)的5個標準偏差的閾值。該測量將激發(fā)理論學(xué)家的工作，并為未來利用璨夸克粒子尋找電荷-宇稱不守恒起源的研究打開了大門。

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