人類首次證實重子CP破缺！距解決宇宙正反物質不對稱之謎更近一步

有關今年3月人類首次在重子衰變過程中觀測到CP對稱性破缺這一重大發現，在今年7月被正式發表在著名科學期刊《自然》上。該發現由歐洲核子研究中心的大型強子對撞機底夸克實驗合作組的科學家們獲得，這是人類首次確鑿地觀測到重子CP對稱性破缺現象。

科學家們利用能夠精確追蹤重子衰變過程的探測器，對大量的重子衰變過程進行了細致的研究。通過分析大量的質子-質子對撞數據，研究團隊鎖定了一種叫做Λb0重子的粒子。這種粒子的夸克組成與質子類似，但其中一個上夸克被替換為底夸克。科學家觀察了Λb0重子衰變成一個質子、一個K介子和兩個π介子的過程，以及其反物質的衰變過程。最終確認，Λb0重子和它的反物質粒子之間的衰變速率存在非常顯著的差異，不對稱性達2.45%。

雖然很早便有關于重子CP破缺的理論預測，但此前人類僅在介子衰變過程中觀測到該現象，從未在重子中觀測到，此次發現成功填補了相關領域的空白。

CP對稱性是指電荷共軛C和宇稱P的聯合變換不變性。簡單來說，電荷共軛變換就是將粒子替換為其反粒子，比如將電子變為正電子；宇稱變換則像是照鏡子，把一個粒子的空間坐標進行鏡像反轉。CP對稱性認為，在經過這兩種變換之后，物理規律應該保持不變。也就是說，一個由正物質組成的系統和一個由反物質組成的“鏡像”系統，它們的物理行為應該是完全相同的。

但在1964年，科學家們在含奇夸克的K介子衰變中首次發現了CP對稱性破缺現象。這一發現當時震驚了科學界，它表明CP對稱性并不是絕對成立的，正物質和反物質在某些情況下的行為確實存在差異。此后，CP破缺現象又相繼在含底夸克的B介子、含粲夸克的D介子中被觀測到。

介子和重子均是由夸克構成的復合粒子。與由一對正反夸克組成的介子相比，由三個夸克或者三個反夸克組成的重子，其結構更為復雜，且重子衰變過程涉及多個強相互作用和弱相互作用的耦合，所以對重子衰變過程的理論預測和實驗觀測比介子更加困難，這導致科學家在過去幾十年內一直未能獲得重子CP對稱性破缺現象的確鑿證據。直到今年，這一理論預測才終于得到的確鑿實驗觀測數據驗證。

人類所熟悉的這個世界由原子構成，而構成原子核的質子和中子均是重子，這一發現的重要性不言而喻，意味著人類在粒子物理學領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不對稱之謎。

科學界的主流觀點認為，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，物質與反物質應該是等量存在的。但問題是正物質與反物質一旦相遇，就會發生湮滅，轉化為能量。如果宇宙一直這樣運行下去，那最終宇宙將只剩下能量，而不會有任何物質留存，更不會有后來的恒星、行星，乃至生命的誕生。然而，我們如今所處的宇宙卻是一個幾乎完全由正物質主導的世界。從我們腳下的地球，到夜空中閃爍的繁星，都是由正物質構成的。反物質仿佛只是宇宙中的“稀客”，極為罕見。

也許正是在宇宙誕生后的極早期，重子CP對稱性破缺使得正物質和反物質的衰變速率出現了微小的差異。隨著時間的推移，這種微小的差異被不斷放大，最終導致了正物質在宇宙中占據了主導地位。從這種意義上來講，正是不對稱創造了這個世界！

根據蘇聯物理學家安德烈·薩哈羅夫1967年提出的理論，宇宙物質主導地位的形成必須滿足三個條件，分別是重子數不守恒、CP對稱性破缺和偏離熱平衡。

其中，CP對稱性破缺已經在諸多實驗中得到驗證。偏離熱平衡使得微小不對稱得以放大，廣義相對論和量子場論均從理論上支持這一條件，認為隨著宇宙的膨脹和冷卻，必然會趨向于非平衡態；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。重子數不守恒，即宇宙早期必須存在某種機制，使得產生重子與反重子的過程不完全對稱，這能為正物質主導宇宙奠定基礎，但目前尚未有直接的實驗證據能證明這一點。

雖然宇宙正反物質不對稱之謎并沒有得到完全解決，但重子CP破缺的成功驗證已經讓人類離解開謎題更近一步。此外，這類研究可能為探索標準模型之外的物理學提供了可能。