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一個深刻的宇宙謎題

1928年，物理學家狄拉克（Paul Dirac）提出了關于電子運動的理論，預言了電子的反粒子——正電子的存在。自那之后，所有已知基本粒子的反粒子，以及由夸克組成的強子的反物質對應物，都陸續(xù)在高能粒子加速器實驗或宇宙線中被觀測到。

然而，盡管驗證了反物質在微觀世界中確實存在，但天文學觀測表明：在整個可觀測宇宙中，所有恒星和行星都仍然是由普通物質構成的。反物質的存在極為稀少，幾乎可以忽略不計。

這就構成了一個深刻的宇宙學難題：根據(jù)宇宙學模型，如果宇宙起源于大約138億年前的大爆炸，那么在大爆炸后，宇宙中應當產(chǎn)生了等量的物質與反物質，而當它們相遇時會全部湮滅，只留下能量。但這顯然沒有發(fā)生，否則我們今天也不會看見恒星、行星，甚至是生命了。究竟是什么導致了物質和反物質之間的輕微不對稱性，使今天我們看到的宇宙幾乎完全由物質組成？

打破對稱性

早在1967年，物理學家薩哈羅夫（Andrei Sakharov）就提出，如果宇宙滿足幾個條件那么就有可能演化出一個由物質主導的世界，其中一個條件是電荷共軛-宇稱（CP）對稱性必須被打破。

電荷共軛（C）能讓正反電荷互換，將一個粒子轉化為相應的反粒子。例如，對一個電子施加電荷共軛，就會得到一個正電子。宇稱（P）則是讓空間坐標（上下、左右、前后）翻轉的變換，比如宇稱能讓一個以速度v、從左向右移動的電子改變方向，變成以速度-v、從右向左移動。換句話說，宇稱對稱會產(chǎn)生現(xiàn)實的鏡像。

因此，當對一個以速度v運動的電子進行CP變換時，將得到一個以-v速度運動的正電子（即電子的反粒子）。也就是說，對物質實施CP變換，就能得到相應反物質的鏡像。

那么，CP對稱性是否能夠被破壞？實驗告訴我們，答案是肯定的。1957–1958年間，科學家就在實驗中證明了弱相互作用能夠打破P對稱性和C對稱性。1964年，科學家首次在一種中性K介子（介子由夸克與反夸克組成）衰變中觀察到了CP破壞現(xiàn)象。隨后，這種現(xiàn)象也在B介子和D介子中被相繼觀測到。

盡管如此，這些發(fā)現(xiàn)還遠不足以解釋為何宇宙中的反物質如此稀少，理論預言的CP破壞強度仍遠低于解釋這一宇宙不對稱所需的程度。

這一背景下，科學家們一直在尋找更多CP破壞發(fā)生的“新場所”。近日，歐洲核子研究中心（CERN）的LHCb合作組宣布，物理學家首次明確觀測到了重子衰變中的CP破壞。

新的里程碑。

從介子到重子

理論預言，重子（包括質子、中子等）也會表現(xiàn)出CP破壞，但過去的實驗僅觀察到模糊的跡象。在重子中觀測到CP破壞比在介子中要難得多，一方面是因為效應本身更微弱，另一方面則是因為所需的數(shù)據(jù)量極大。

在新的研究中，研究人員分析了超過八萬例重子衰變事件，才終于首次明確地看到這些粒子之間的物質-反物質差異。

通常，粒子和它們的反粒子具有相同的質量和相反的電荷。但當它們發(fā)生轉變或衰變成其他粒子時，比如原子核發(fā)生放射性衰變時，CP破壞就會打破這種鏡像對稱。這個效應可以表現(xiàn)為：粒子和反粒子以不同的速率衰變?yōu)楦p的粒子。這種微小差異可通過高靈敏度的探測器和精密的數(shù)據(jù)分析手段檢測出來。

這次，LHCb合作組觀測的對象是Λb?重子（beauty-lambda baryon），它由一個u夸克、一個d夸克和一個b夸克組成，是質子和中子的“重親戚”。

研究人員篩選了LHCb探測器在LHC第一與第二運行期間（2009–2013年與2015–2018年）采集的數(shù)據(jù)，尋找Λb?衰變?yōu)橐粋€質子、一個K介子以及一對帶相反電荷的π介子的事件，并與其反粒子——反Λb?的對應衰變進行比較。通過統(tǒng)計每種衰變模式的發(fā)生次數(shù)，他們計算出Λb?和反Λb?之間的差異。