物質和反物質的性質存在微小的不同。物理學家正在亞原子層面上尋找這一現象的原因。

在宇宙誕生之初，正反物質本應是等量産生的，但在當前的宇宙中，物質卻明顯占據了上風，構成了我們看到的一切，反物質幾乎完全消失不見。物理學家認為，這是由于正反物質并非完全對稱所導緻的，但卻不能解釋正物質的巨大優勢。研究者希望，對介子這種由正反兩種誇克組成的粒子的研究，能找出破壞平衡的額外力量。

撰文 | 烏爾裡希·烏韋爾（Ulrich Uwer）、約翰内斯·阿爾布雷希特（Johannes Albrecht）

翻譯 | 劉彬

我們所處的世界，物質和反物質明顯不平衡，這是當今物理學的一大難題。目前看來，宇宙中并不存在由反物質組成的行星、恒星或星系，至少我們尚未發現任何相關的迹象。然而在宇宙的早期階段，正反兩種物質應該是等量存在的。在那時，高能輻射不斷創造出大量粒子反粒子對，兩者僅有電荷不同，之後它們又相互碰撞，一起湮滅。到了今天，在宇宙已經充分冷卻之後，每10億個輻射粒子隻留下了1個物質粒子。這點小小的盈餘足夠創造出我們的物質世界，但是，那些反粒子去哪了？

1967年，俄羅斯物理學家安德烈·紮哈羅夫（Andrei Sacharow）提出，物質之所以在數量上占據了優勢，原因是物質粒子和反物質粒子之間存在細微差别。兩者之間必定存在這樣或那樣的不同，而不是完全對稱——科學家把這種現象稱為對稱性破缺。

對稱性在物理學中起着重要作用。我們日常都會體驗到的一種對稱是空間鏡像對稱：當我們從鏡子裡觀察世界時，乍看上去鏡中世界和本來的世界一模一樣。但如果仔細看，我們會發現，右撇子在鏡子裡成了左撇子，右旋螺絲變成了左旋螺絲。

這同樣适用于微觀世界中的粒子及其相互作用。構成物質的粒子都具有自旋，即内在的旋轉性質。根據自旋是指向運動方向還是背離運動方向，科學家把粒子分為“右手征”和“左手征”。左手征粒子的鏡像是右手征的，就像右旋螺絲經空間反射變換後成了左旋螺絲一樣。

然而，早在20世紀50年代，科學家就發現在放射性β衰變中隻會産生左手征粒子或相應的右手征反粒子。通過β衰變産生的中微子甚至全是左手征的，對應的反粒子則總是右手征粒子。由于沒有右手征中微子的存在，所以左手征中微子不存在空間鏡像。于是物理學家提出，在自然界中，這種名為宇稱（P）的鏡像對稱是破缺的。

除了空間對稱以外，還存在與電荷等内在屬性有關的對稱。科學家把粒子與反粒子之間的對稱叫作電荷鏡像對稱，或電荷共轭對稱。這種對稱性在中微子身上也被打破了。目前為止沒有觀察到左手征反中微子的存在，所以左手征中微子也沒有對應的電荷鏡像。

那麼，也許粒子和反粒子之間的對稱并非單純的電荷共轭對稱，而是将空間鏡像（P）和電荷鏡像（C）組合起來的聯合對稱？在這個“CP鏡子”中，左手征中微子變成了右手征反中微子——正如我們在自然界中所觀察到的那樣。物理學家期望，至少在理論上，CP鏡子能将物質世界完美轉換成适用相同物理定律的反物質版本。若果真如此，我們所在的宇宙是帶正電的質子、帶負電的電子組成的物質世界，還是由帶有相反電荷的反粒子組成的反物質世界，就隻是叫法不同而已了。

誇克和輕子（包括電子和中微子）是物質的基本組成部分，它們都有與之對應的帶有相反電荷的反粒子。這些帶有分數電荷的誇克在自然界當中都是相互結合在一起的。比如每個質子和中子都是由三個上誇克和下誇克組成。這些三個誇克組成的粒子被稱為重子。另外，我們也觀察到了誇克和反誇克組合而成的粒子，即所謂的介子。

然而，研究人員在1964年對中性粒子K介子進行的實驗，粉碎了粒子-反粒子完美對稱的希望。他們觀察到，K介子的衰變行為與其反粒子并不相同。領導該研究的兩位科學家詹姆斯·克羅甯（James Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）憑借這一發現于1980年獲得了諾貝爾獎。

由于這種對稱性破缺，粒子世界現在可以明确地與反粒子世界區分開來。對于我們宇宙的演化，這種CP破壞發揮了關鍵作用，它有可能解釋為何物質占據了主導地位。

尋找對稱破缺

這樣看來，似乎一切都說的通了——但前提是實驗室中測出的對稱破缺強度足以造成宇宙中正反物質的不平衡。通過大量的K介子和B介子測量實驗，我們發現事實并非如此。在微觀世界的某個地方，可能還存在其他違反CP對稱的全新物理過程和現象。現在，借助高精度實驗，科學家已經察覺到了一些蛛絲馬迹。

介子是研究粒子與反粒子不對稱性的良好對象，因為介子是由一個誇克和一個反誇克組成的——可算作是物質和反物質的混合系統。此外介子不穩定，會在很短的時間内衰變。其中的一個誇克會轉變成新的誇克。原子核發生放射性衰變時，由三個誇克組成的中子也會經曆類似的過程。為了描述這種衰變過程，物理學家借助了所謂的費曼圖。這種圖表最初是為了更簡潔直觀地表示計算規則而發明的。不同誇克的相互轉化是基本作用力弱相互作用的标志性效果。在這一過程中，通過帶正電或負電、負責傳遞弱相互作用的W玻色子，帶有2/3正電荷的上誇克、粲誇克和頂誇克可以轉變為帶有1/3負電荷的下誇克、奇異誇克和底誇克，反之亦然。

誇克通過弱相互作用轉化為另一種誇克，會導緻一些複雜的物理過程。例如，由奇異誇克和反底誇克組成的Bs介子能轉變成反粒子，在極短時間内後者又會變回Bs介子。整個系統會在粒子和反粒子之間不斷振蕩。在全世界最大的粒子加速器、歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上，有一個名為LHCb的實驗裝置在追蹤這類特殊過程。

有趣的是，在正反粒子的中間态裡出現了頂誇克，這種誇克的質量要比原始Bs介子高很多倍。乍眼看去，這似乎并不可能——産生它們的能量從何而來？答案來自于量子力學，根據海森堡不确定性原理，在極短的時間内，能量守恒定律可以暫時被打破。這些粒子處于虛拟的過渡态，它們會顯著影響振蕩頻率，因此科學家可以通過精确測量振蕩頻率，來驗證過渡态的理論假設是否正确。同樣，科學家還能從中尋找未知新粒子發揮作用的迹象，即便那些粒子質量極大。

到目前為止，把誤差考慮進去的話，理論計算的結果和測量值可以說是一緻的。不幸的是，即便借助計算機，對振蕩頻率進行實際計算也是困難重重，隻能得到近似值。因此，理論計算結果的不确定性現在還遠遠大于測量誤差。

量子效應不但能導緻粒子在正反狀态振蕩，也能打破粒子和反粒子的對稱。另一種名為B0的B介子特别适合用來研究此類現象，因為據很多理論物理學家的預測，這一類粒子在衰變時更容易受到對稱性破缺的影響。與之前描述過的粒子反粒子振蕩相似，我們可以通過介子的衰變來測量CP破壞，這種介子可以衰變為一個帶正電的K介子（由上誇克和反奇異誇克組成）和一個帶負電的π介子（由下誇克和反上誇克組成）。結果非常明顯：發生衰變的B0介子數量明顯大于介子的數量，确切地說，多了8%。對于更為少見的Bs介子來講，正反粒子的差異甚至更為明顯，測量顯示，衰變為K介子的Bs介子比其反粒子要多出近27%。

未知的物理機制

通過大量的B介子衰變，我們已經能非常準确地測出CP破壞的強度。LHCb的物理學家在此前斯坦福大學BaBar實驗和日本築波大學Belle實驗的基礎上，設計了一系列精确的測試實驗。不過，這次他們為大多數測量制定了新的精确度标準。與中性B介子粒子-反粒子振蕩有所不同的是，衰變過程中觀測到的很多不對稱性可以在理論上精确地計算出來。因此，測量成為了一種更有效的工具，可在衰變的量子修正中搜尋新粒子。同時它們也能幫我們找出可能導緻粒子和反粒子不對稱的新機制。研究人員也希望能從中間接得出答案，解釋我們宇宙的物質為何不對稱。

到目前為止，粒子物理标準模型對基本粒子世界相關現象的描述是非常成功的。在這一理論中，隻有在弱相互作用過程中才會出現CP破壞。各種誇克轉變過程，例如上誇克轉變為下誇克、上誇克轉變為底誇克，是緊密關聯的——這些轉變的概率存在固定關系，這種關系可以用幺正三角形來表示，其面積表示的就是觀測到的CP破壞強度。兩位日本理論物理學家小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）憑借對這些現象的描述獲得了2008年諾貝爾物理學獎。三角形的角度和邊長無法計算，隻能通過實驗确定。把三角形的底設為單位長度1，測出另外兩個參數，就能确定整個三角形。

通過B0介子衰變為K介子和J /ψ介子（B0→J/ψ Ks）時的CP破壞強度測出三角形的β角，再根據B介子振蕩頻率得出側邊長，就得到了目前此三角形的最佳測量結果。其他每種誇克轉變也必須能用三角形的參數描述，而三角形的任何不自洽之處，可能都标志着某種标準模型之外的粒子或作用力。因此，LHCb的物理學家正通過多種不同方法測量三角形參數，找尋可能存在的偏差。

通過幾何計算，可以得出此三角形的另一個角γ是65度。這一結果的不确定性很低，大概是2%~3%。不過，與此同時，這一角度也可以借助B±→D0K±等衰變反應中的CP破壞強度完全獨立地測量出來。當然，這些過程非常罕見，因此γ角的測量結果到目前為止都很不準确。LHCb的研究人員通過記錄大量的B介子，能将誤差降低到大約5度。目前，實驗測量出的結果是73.5度，雖然比幾何方法計算出的結果要高，但在統計學上仍然是相符的。下一步要确定的是，随着測量精度的提高，這種差異是會消失掉，還是會變得越來越明顯。

到目前為止，标準模型似乎仍能正确描述粒子物理的這一領域。鑒于B介子相關物理過程中粒子和反粒子的不對稱性測量相對繁瑣，原理也十分複雜，得出這樣的結果雖不算驚人，但也相當可觀。然而，前面γ角計算那個例子表明，現在要給出明确的結論還為時尚早。任何未知粒子給量子效應和CP破壞帶來的影響都可能非常小，從而隐藏在仍然很大的不确定性背後。盡管物理學家在重子衰變中沒有發現CP破壞的明确證據，但LHCb的研究者首次發現了與之相關的線索。

所謂的λ重子（即Λb，含有底誇克、上誇克和下誇克）會衰變成一個質子和三個帶電荷的π介子。相應的反λ重子則衰變成反質子和三個帶電荷的π介子。這類衰變非常罕見，如果不是因為LHCb實驗反應速率快，反應量大，真的很難發現這種現象。首次測量顯示，λ和反λ重子的衰變之間存在微小差異。然而，由于這類測量誤差很大，所以物理學家甯願暫時将他們的觀察結果稱為有力的線索。但是，如果更多的數據證明重子衰變中的确存在CP破壞，那麼也許這種現象實際上也存在于此前的各類粒子系統當中。這将為我們打開一扇新的大門，有助于我們更好地了解自然界的基本作用力和粒子。

在B0介子衰變為K介子和π介子過程中，可以看出正反B0介子的行為存在差異：發生 B0→K π–衰變（圖a）的B0介子數量要遠遠大于發生 →K-π 衰變（圖b）的介子。

除重子外，目前還有另外一類粒子也很難被精确測量：那就是中性D介子。這種粒子的獨特之處在于，它是唯一一種擁有三分之二電荷誇克（即上誇克和粲誇克）的中性介子。雖然中性D介子是在B介子之前被發現的，但是直到2013年，科學家才通過LHCb實驗明确無誤地證明它也存在混合，或者說振蕩現象，也就是介子和自身的反粒子能相互轉變。之所以很難觀察到中性D介子的振蕩，是因為它的振蕩頻率過慢。在經曆足夠長時間，得以轉化為反粒子之前，大多數粒子已經衰變了。因此，首選需要大量的D介子，隻有這樣才能有一些非常長壽的粒子最終經曆正反粒子的轉化，并讓物理學家觀察到。在D介子身上，粒子-反粒子不對稱更是難以觀察到，因為根據理論預言，這個數值非常小。

盡管目前在LHCb上進行的對稱性測試最高精度能達到0.1‰，但是采集到的數據還遠遠不足以觀察到預期的不對稱性。不過，由于這種不對稱性很小，需要極為精确的測量，所以一些意想不到的效應可能相對來說很強，能夠明顯影響測量結果。因此，我們還是可以期盼有驚喜出現的。

在測量結果的不确定性相當大的情況下，新的物理現象有時會被掩蓋住，比如說，被當成大質量的未知粒子帶來的效應。LHCb的科學家計劃在2030年前将數據集擴大十倍，同時還要優化探測器以能适應更大的數據傳輸率，這樣就能顯著降低測量中的不确定性。LHCb将幫助我們進一步理解誇克物理中的粒子-反粒子對稱性破缺。如果真的存在未知的新效應，LHCb應該能夠發現它們。此外，物理學家也在通過其他實驗研究中微子可能存在的CP破壞。也許，早期宇宙中真的還存在一些我們此前未知的粒子或CP破壞機制，因為很明顯，我們目前在介子實驗中所觀察到的CP破壞強度，并不足以解釋為何宇宙中物質是過剩的。一定還有一些未知的東西做出了貢獻，而它們一定會在粒子世界中留下蛛絲馬迹。我們需要做的，就是去找到它們。

來源：環球科學

來源： 中科院物理所

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!