北京時(shí)間2025年3月26日凌晨，LHCb實(shí)驗(yàn)合作組宣布了一項(xiàng)里程碑式的突破：重子衰變中CP對(duì)稱性破缺的發(fā)現(xiàn)[1]。這一成果為人類理解為何宇宙由物質(zhì)主導(dǎo)提供了關(guān)鍵線索。值得注意的是，這項(xiàng)研究由中國科學(xué)家主導(dǎo)完成。
重子CP破缺
CP violation in baryon decay
01
對(duì)稱破缺創(chuàng)造世界
如果說對(duì)稱體現(xiàn)了世界之美，那么對(duì)稱破缺則更多體現(xiàn)世界之真。
對(duì)稱性使得物理規(guī)律展現(xiàn)出驚人的簡單性，物理學(xué)家也因此對(duì)其倍加推崇。然而，世界并不因?yàn)槿祟惖钠枚淖儭Ｕ缇永锵壬?，不?duì)稱創(chuàng)造了世界，而前蘇聯(lián)物理學(xué)家薩哈洛夫用以解釋為何當(dāng)今宇宙由物質(zhì)主導(dǎo)的理論[2]讓這一觀點(diǎn)具象化。
根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)理論，宇宙誕生時(shí)物質(zhì)與反物質(zhì)是等量產(chǎn)生的。然而，我們今天所見的宇宙卻幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成，反物質(zhì)幾乎消失殆盡。這種現(xiàn)象表明，在宇宙的早期歷史中，物質(zhì)與反物質(zhì)之間發(fā)生了一場激烈的“戰(zhàn)爭”，最終導(dǎo)致了反物質(zhì)的近乎完全消失，而物質(zhì)則以極其微小的比例幸存下來。
前蘇聯(lián)物理學(xué)家薩哈洛夫總結(jié)出這場戰(zhàn)役的關(guān)鍵線索，即著名的“薩哈洛夫條件” [2]：
重子數(shù)破缺；
C和CP對(duì)稱性破缺；
熱力學(xué)非平衡條件。
其中，CP對(duì)稱性破缺揭示正物質(zhì)與反物質(zhì)演化規(guī)律的不同，是理解宇宙物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱現(xiàn)象的關(guān)鍵。
02
CP破缺求索之路
圖1. C、P以及CP變換（左）；CP破缺（右）
CP對(duì)稱性是自然界基本對(duì)稱性的一種，是電荷共軛（C）和宇稱（P）的聯(lián)合變換不變性。
1956年，李政道和楊振寧提出，弱相互作用中可能存在P對(duì)稱性的破缺[3]，這一理論很快得到了吳健雄的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[4]。它揭示了正物質(zhì)世界具有“左撇子”特性，而反物質(zhì)世界則具有“右撇子”特性。因此，CP變換實(shí)際上是“左撇子”正物質(zhì)和“右撇子”反物質(zhì)之間的互換。
1964年，科學(xué)家們首次在含奇異夸克的K介子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了CP破缺的現(xiàn)象[5]。CP破缺現(xiàn)象在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中由“小林-益川機(jī)制”[6]解釋，它表明CP破缺存在于夸克物質(zhì)（包括介子和重子）弱作用過程之中。然而，盡管CP破缺后來相繼在含底夸克的B介子[7]、含粲夸克的D介子[8]中被觀測到，但在重子系統(tǒng)中卻始終未有發(fā)現(xiàn)。
重子是由三個(gè)夸克組成的粒子，如質(zhì)子和中子，是構(gòu)成宇宙中可見物質(zhì)的基礎(chǔ)。因此，實(shí)驗(yàn)尋找重子CP破缺是理解早期宇宙中反物質(zhì)消失之謎的關(guān)鍵。
03
重子CP破缺發(fā)現(xiàn)
圖2. π π 過程的費(fèi)曼圖以及實(shí)驗(yàn)探測示意圖，源自[1]
LHCb是歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上的四個(gè)主要探測器之一，專門用于研究含有重味夸克的粒子（如粲夸克和底夸克）以及CP破缺現(xiàn)象。
在本次研究中[1]，科學(xué)家們利用LHCb探測器觀察了約4萬事例的重子 的弱衰變過程 π π ，如圖2所示，以及相對(duì)應(yīng)的CP共軛過程 π π 。如果CP對(duì)稱性嚴(yán)格成立，這兩個(gè)反應(yīng)過程的發(fā)生概率應(yīng)嚴(yán)格相等。然而，如圖3所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，它們之間的相對(duì)差異為：
達(dá)到了5.2σ的置信水平，這意味著結(jié)果的可信度超過99.9999%。
圖3. π π 及其反過程信號(hào)對(duì)比，源自[1]
這是人類歷史上首次發(fā)現(xiàn)重子系統(tǒng)中的CP破缺現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了粒子物理學(xué)中的一項(xiàng)重要空白，為理解宇宙中物質(zhì)的主導(dǎo)地位提供了關(guān)鍵線索。
另外，值得一提的是，LHCb論文[1]中提到，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言一致，該理論預(yù)言由蘭州大學(xué)于福升教授和他的博士生汪建鵬計(jì)算得到[9]。
04
基礎(chǔ)科學(xué)文明的中國印記
在這一重大發(fā)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)過程中，中國科學(xué)家發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。LHCb中國組主導(dǎo)了本次發(fā)現(xiàn)，論文的投稿者是北京大學(xué)物理學(xué)院的博士生楊雪婷同學(xué)，她正師從高原寧院士團(tuán)隊(duì)的張艷席研究員攻讀博士學(xué)位。
這并非LHCb中國組首次取得突破性成果。自加入LHCb實(shí)驗(yàn)以來，中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)屢獲佳績：2015年，他們發(fā)現(xiàn)了首個(gè)五夸克態(tài)[10]；2017年，又發(fā)現(xiàn)了首個(gè)雙粲重子[11]。而此次在重子CP破缺這一核心領(lǐng)域取得的重大突破，標(biāo)志著中國科學(xué)家在粒子物理學(xué)研究的主戰(zhàn)場達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
這一發(fā)現(xiàn)不僅將被載入教科書，更將在科學(xué)史上留下濃墨重彩的中國印記。它不僅為人類探索宇宙奧秘作出了重要貢獻(xiàn)，也展現(xiàn)了中國科學(xué)家的卓越能力。
作者介紹：
秦溱，華中科技大學(xué)物理學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師，基礎(chǔ)理論物理研究所副所長。研究領(lǐng)域?yàn)橹匚段锢砼cCP破缺。
參考文獻(xiàn):
[1] R. Aaij et al. [LHCb], Observation of charge-parity symmetry breaking in baryon decays, [arXiv:2503.16954 [hep-ex]].
[2] A. D. Sakharov, Violation of CP Invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe, Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 5, 32-35 (1967).
[3] T. D. Lee and C. N. Yang, Question of Parity Conservation in Weak Interactions, Phys. Rev. 104, 254-258 (1956).
[4] C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes and R. P. Hudson, Experimental Test of Parity Conservation in Decay, Phys. Rev. 105, 1413-1414 (1957).
[5] J. H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch and R. Turlay, Evidence for the Decay of the Meson, Phys. Rev. Lett. 13, 138-140 (1964).
[6] M. Kobayashi and T. Maskawa, CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction, Prog. Theor. Phys. 49, 652-657 (1973).
[7] B. Aubert et al. [BaBar], Observation of CP violation in the meson system, Phys. Rev. Lett. 87, 091801 (2001); K. Abe et al. [Belle], Observation of large CP violation in the neutral B meson system, Phys. Rev. Lett. 87, 091802 (2001).
[8] R. Aaij et al. [LHCb], Observation of CP Violation in Charm Decays, Phys. Rev. Lett. 122, 211803 (2019).
[9] J. P. Wang and F. S. Yu, CP violation of baryon decays with Nπ rescatterings, Chin. Phys. C48, 101002 (2024).
[10] R.~Aaij et al. [LHCb], Observation of Resonances Consistent with Pentaquark States in Decays, Phys. Rev. Lett. 115, 072001 (2015).
[11] R.~Aaij et al. [LHCb], Observation of the doubly charmed baryon , Phys. Rev. Lett. 119, 112001 (2017).
主編：張 闖
責(zé)編：喬從豐
審核：李海波
編輯：花 明
本文轉(zhuǎn)載自《現(xiàn)代物理知識(shí)雜志》微信公眾號(hào)
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