人類首次證實(shí)重子CP破缺！距解決宇宙正反物質(zhì)不對(duì)稱之謎更近一步

有關(guān)今年3月人類首次在重子衰變過(guò)程中觀測(cè)到CP對(duì)稱性破缺這一重大發(fā)現(xiàn)，在今年7月被正式發(fā)表在著名科學(xué)期刊《自然》上。該發(fā)現(xiàn)由歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)合作組的科學(xué)家們獲得，這是人類首次確鑿地觀測(cè)到重子CP對(duì)稱性破缺現(xiàn)象。

科學(xué)家們利用能夠精確追蹤重子衰變過(guò)程的探測(cè)器，對(duì)大量的重子衰變過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致的研究。通過(guò)分析大量的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)鎖定了一種叫做Λb0重子的粒子。這種粒子的夸克組成與質(zhì)子類似，但其中一個(gè)上夸克被替換為底夸克。科學(xué)家觀察了Λb0重子衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)K介子和兩個(gè)π介子的過(guò)程，以及其反物質(zhì)的衰變過(guò)程。最終確認(rèn)，Λb0重子和它的反物質(zhì)粒子之間的衰變速率存在非常顯著的差異，不對(duì)稱性達(dá)2.45%。

雖然很早便有關(guān)于重子CP破缺的理論預(yù)測(cè)，但此前人類僅在介子衰變過(guò)程中觀測(cè)到該現(xiàn)象，從未在重子中觀測(cè)到，此次發(fā)現(xiàn)成功填補(bǔ)了相關(guān)領(lǐng)域的空白。

CP對(duì)稱性是指電荷共軛C和宇稱P的聯(lián)合變換不變性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電荷共軛變換就是將粒子替換為其反粒子，比如將電子變?yōu)檎娮樱挥罘Q變換則像是照鏡子，把一個(gè)粒子的空間坐標(biāo)進(jìn)行鏡像反轉(zhuǎn)。CP對(duì)稱性認(rèn)為，在經(jīng)過(guò)這兩種變換之后，物理規(guī)律應(yīng)該保持不變。也就是說(shuō)，一個(gè)由正物質(zhì)組成的系統(tǒng)和一個(gè)由反物質(zhì)組成的“鏡像”系統(tǒng)，它們的物理行為應(yīng)該是完全相同的。

但在1964年，科學(xué)家們?cè)诤婵淇说腒介子衰變中首次發(fā)現(xiàn)了CP對(duì)稱性破缺現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)震驚了科學(xué)界，它表明CP對(duì)稱性并不是絕對(duì)成立的，正物質(zhì)和反物質(zhì)在某些情況下的行為確實(shí)存在差異。此后，CP破缺現(xiàn)象又相繼在含底夸克的B介子、含粲夸克的D介子中被觀測(cè)到。

介子和重子均是由夸克構(gòu)成的復(fù)合粒子。與由一對(duì)正反夸克組成的介子相比，由三個(gè)夸克或者三個(gè)反夸克組成的重子，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且重子衰變過(guò)程涉及多個(gè)強(qiáng)相互作用和弱相互作用的耦合，所以對(duì)重子衰變過(guò)程的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)比介子更加困難，這導(dǎo)致科學(xué)家在過(guò)去幾十年內(nèi)一直未能獲得重子CP對(duì)稱性破缺現(xiàn)象的確鑿證據(jù)。直到今年，這一理論預(yù)測(cè)才終于得到的確鑿實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

人類所熟悉的這個(gè)世界由原子構(gòu)成，而構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子均是重子，這一發(fā)現(xiàn)的重要性不言而喻，意味著人類在粒子物理學(xué)領(lǐng)域又邁出了重要一步，這有助于人類更好地理解宇宙正反物質(zhì)不對(duì)稱之謎。

科學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為，我們的宇宙誕生于一次大爆炸。按照常理，在138億年前宇宙誕生之初，物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)該是等量存在的。但問(wèn)題是正物質(zhì)與反物質(zhì)一旦相遇，就會(huì)發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)化為能量。如果宇宙一直這樣運(yùn)行下去，那最終宇宙將只剩下能量，而不會(huì)有任何物質(zhì)留存，更不會(huì)有后來(lái)的恒星、行星，乃至生命的誕生。然而，我們?nèi)缃袼幍挠钪鎱s是一個(gè)幾乎完全由正物質(zhì)主導(dǎo)的世界。從我們腳下的地球，到夜空中閃爍的繁星，都是由正物質(zhì)構(gòu)成的。反物質(zhì)仿佛只是宇宙中的“稀客”，極為罕見(jiàn)。

也許正是在宇宙誕生后的極早期，重子CP對(duì)稱性破缺使得正物質(zhì)和反物質(zhì)的衰變速率出現(xiàn)了微小的差異。隨著時(shí)間的推移，這種微小的差異被不斷放大，最終導(dǎo)致了正物質(zhì)在宇宙中占據(jù)了主導(dǎo)地位。從這種意義上來(lái)講，正是不對(duì)稱創(chuàng)造了這個(gè)世界！

根據(jù)蘇聯(lián)物理學(xué)家安德烈·薩哈羅夫1967年提出的理論，宇宙物質(zhì)主導(dǎo)地位的形成必須滿足三個(gè)條件，分別是重子數(shù)不守恒、CP對(duì)稱性破缺和偏離熱平衡。

其中，CP對(duì)稱性破缺已經(jīng)在諸多實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。偏離熱平衡使得微小不對(duì)稱得以放大，廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論均從理論上支持這一條件，認(rèn)為隨著宇宙的膨脹和冷卻，必然會(huì)趨向于非平衡態(tài)；宇宙微波背景輻射的微小各向異性也表明，宇宙在早期并非處于完全的熱平衡狀態(tài)。重子數(shù)不守恒，即宇宙早期必須存在某種機(jī)制，使得產(chǎn)生重子與反重子的過(guò)程不完全對(duì)稱，這能為正物質(zhì)主導(dǎo)宇宙奠定基礎(chǔ)，但目前尚未有直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)能證明這一點(diǎn)。

雖然宇宙正反物質(zhì)不對(duì)稱之謎并沒(méi)有得到完全解決，但重子CP破缺的成功驗(yàn)證已經(jīng)讓人類離解開(kāi)謎題更近一步。此外，這類研究可能為探索標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理學(xué)提供了可能。