反物質去哪了？CP對稱性被打破，《Nature》證實對稱破裂關鍵證據

夜空中的每一顆星，都在訴說著一個古老的謎題。

我們生活在一個物質構成的宇宙里，這似乎是不言而喻的常識。可是，很少有人會在仰望星空時想到這樣一個問題：那些理應存在的反物質，究竟去了哪里？

按照現代物理學的認知，在宇宙誕生的那一刻，物質與反物質應當如影隨形，等量而生，絕對對稱。它們像一對完美的敵人，彼此對立、性質相反，一旦相遇，便立即湮滅，化為純粹的能量光芒。

然而今天的宇宙，卻徹底偏向了物質這一邊。

星系、恒星、行星，乃至我們的血肉之軀，全部建立在物質之上。反物質幾乎絕跡，只在極少數的高能事件中短暫閃現，如同幽靈般飄忽不定。這種徹底的失衡，是宇宙最深層的謎團之一。

我們稱之為：宇宙中的物質反物質不對稱。

這個問題不僅困擾了整整一代粒子物理學家，也隱含著一個近乎哲學的追問：我們存在的原因，究竟是一種自然的秩序，還是一次偶然的破壞？

尋找破碎的對稱

過去六十多年來，科學界已經在某些特殊粒子中捕捉到過這種"對稱性破壞"的痕跡，但它們多發生在邊緣的、短壽的中性介子上。這些粒子就像舞臺上的配角，重要但不是主角。真正構成世界的核心粒子，也就是重子（如質子、中子），始終未被觀測到類似現象。

直到最近，一項來自歐洲核子研究中心（CERN）LHCb實驗的成果，打破了這一沉默。

研究人員首次在重子衰變中，直接觀測到了電荷宇稱（CP）對稱性的破壞。這一發現近日發表于《Nature》，可能成為揭開宇宙"不平等"起源的關鍵一步。

它未必能給出最終答案，但它標志著我們第一次在構成我們自身的粒子層面，發現了對稱的破裂。

這，值得我們花些時間，認真理解。

什么是"對稱性破壞"？

在自然界的基本規律中，對稱性是一種核心思想。對稱，并不只是視覺上的"左等于右"，而是指在某些物理變換下，系統的行為保持不變。

如果我們把一段物理過程進行鏡像變換（"宇稱"P），或者將其中的粒子換成它們的反粒子（"電荷共軛"C），再或者兩者同時進行（即"CP變換"），理論上結果應當一致。這種"CP對稱性"在早期的物理模型中被視為天經地義。

但自然界并非絕對公平。1956年，物理學家首次發現弱相互作用中存在宇稱破缺。幾年后，在中性K介子的衰變中又發現了CP破壞。此后，這種"對稱性的例外"被逐步納入標準模型之中，成為粒子物理學的一部分。

問題在于，標準模型中的CP破壞程度太小，遠遠不足以解釋宇宙中幾乎純粹由物質構成的事實。

這意味著，宇宙中還潛藏著更深層次的不對稱性，而我們尚未找到它。

為什么這次發現意義重大？

過去觀測到的CP破壞，主要發生在介子系統中，特別是K介子和B介子的衰變過程。這些粒子雖然對研究重要，但它們的壽命極短，且并不直接構成我們日常所見的世界。

相比之下，重子是宇宙中的"建構單位"。我們熟知的質子、中子都是重子，它們組合成原子核，構成了所有元素，組成了人類、地球、以及可見宇宙中的一切結構。

此次LHCb實驗的突破，是首次在重子的衰變中明確觀測到CP破壞現象。更具體地說，研究團隊觀察了一種名為Λb?（Lambda-b 零）的重子在特定衰變路徑中的行為，并發現其與對應反粒子的衰變并不完全對稱。

這是一個意義非凡的信號。我們終于在構成宇宙主要成分的粒子系統中，找到了自然"偏向物質"的證據。

一個里程碑，而非終點

重要的是澄清：這個發現本身，并不足以解釋反物質為何消失。

根據現有標準模型，Λb?的CP破壞雖然存在，但數量級仍然太小，不足以導致現如今宇宙中的巨大物質反物質失衡。

但這并不妨礙它成為一個里程碑。原因在于：

首先，實驗首次驗證了重子中的CP破壞確實存在，從"理論預期"走向"實驗證據"，意義深遠。

其次，它為探索"標準模型之外的新物理"提供了新的實驗切口。既然已在重子中觀察到對稱性破裂，是否存在更強烈、甚至宏觀層面上的機制？這成為了全新的研究方向。

最后，它強化了這樣一種可能性：宇宙的"偏心"，可能就藏在我們身體里，而非遙不可及的早期宇宙階段。

也就是說，雖然這項結果尚不足以解答"反物質去哪了"，但它是一道方向明確、實驗扎實、理論潛力巨大的提示。

未來之路

LHCb的這個發現只是一個開始。接下來的幾年里，隨著大型強子對撞機的運行效率提升，以及下一代實驗設施的啟動，科學家將有機會進一步探測更稀有的重子衰變路徑、測量更高精度的對稱性破壞數據。

如果這些CP破壞現象繼續出現在越來越多的重子中，且程度超出了標準模型的預期，那將是一個明確的信號：我們現在使用的物理理論體系不完整，有新物理等待被發現。

那時，"反物質去哪了"這道古老的問題，或許終于能走出理論泥潭，走進觀測和驗證的時代。

我們存在的理由

很多人可能會問，這種粒子層面的微小不對稱，和我們現實生活到底有什么關系？

答案是：一切都源于它。

如果當初物質和反物質嚴格對稱，這個宇宙可能根本無法存在。沒有星系，沒有恒星，沒有化學元素，沒有你我。宇宙仍然會爆炸、膨脹、冷卻，但它將是一片完美、孤獨、冰冷的空白。

所以我們可以說，我們存在，是因為宇宙在某個關鍵時刻"偏了心"。而現在，物理學正在努力找到這個偏心的證據。

那是一種穿透數學、穿透實驗的哲學問題：為什么是我們？為什么是這里？為什么是現在？

每一個關于反物質的實驗，都是向這個問題投出的探照燈。我們也許看不到終點，但每一道光，都讓未知的邊界，稍微亮一點點。

在這個由物質構成的宇宙里，我們既是觀察者，也是被觀察的對象。我們用反物質缺失的身體，去尋找反物質消失的秘密。這種悖論般的美妙，或許正是科學探索最動人的地方。

夜空依然深邃，星光依然閃爍。

但現在我們知道，每一顆星的存在，都在訴說著宇宙最初的那次"偏心"。這個偏心，讓空無一物的完美對稱，破碎成了我們今天看到的繁華世界。

參考：

DOI: 10.1038/s41586-025-09119-3