宇宙“天平倾斜”,是因为重子CP破坏吗?

2025年04月08日03:42:02 科学 1382

CP被破坏了!是哪家CP?又要有多少CP粉伤心?

别慌,此CP并不是网络流行语中的情侣CP,而是一种粒子物理现象。C(Charge Conjugation)是指电荷共轭,P(Parity)即宇称。“简单来说,C就是把粒子变成它的反粒子,比如电子变成正电子;P则像是给粒子照镜子,镜子里的粒子和实际粒子左右相反,呈现镜像。”3月27日,在接受科普时报记者采访时,中国科学院院士、北京大学物理学院院长高原宁教授解释道。

宇宙“天平倾斜”,是因为重子CP破坏吗? - 天天要闻

图为利用大型强子对撞机(LHC)模拟宇宙大爆炸时的情形,产生了大量正反重子,这些重子在极短时间内发生衰变。科研人员在这一过程中观察到CP破坏现象。(受访者供图)

那CP破坏又是什么?华中师范大学教授谢跃红进一步解释,以前我们一直以为CP是对称守恒的,也就是说同时交换正反粒子并将它们镜像翻转后,其物理规律应该保持不变。但是到了1964年,科学家发现这种对称守恒其实并不完全正确。真实情况是——谢跃红做了一个比喻:“如果粒子照镜子,镜子里的反粒子和镜子外的粒子会做出不一样的行为,比如镜子外的粒子‘举左手’,镜子里的反粒子可能根本没‘举手’。”

人类首次观测到重子CP破坏

近日,欧洲核子研究中心(CERN)在第59届国际电弱相互作用和统一理论会议上宣布,大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)合作组首次在重(zhònɡ)子衰变中观测到了CP破坏现象,为解释宇宙中正反物质不对称提供了新的线索。这一发现由高原宁、谢跃红带领的中国研究团队主导完成。

根据宇宙大爆炸理论,在138亿年前,宇宙诞生时同时产生了等量的物质与反物质。但时至今日,我们所在的宇宙却是一个由物质主导的“天平倾斜”的世界。科学家认为,其核心可能在于正反粒子行为的细微差异,即CP破坏让物质比反物质多留下了大约十亿分之一,就像沙滩上的10亿粒沙子里有1粒没被海浪冲走,最终形成了恒星地球和我们。这一谜题被《科学》期刊列入全世界最前沿的125个科学问题。

当物质与反物质相遇,它们会互相湮灭,一起消失,并转化为能量释放。因此,在我们可见的宏观世界中已经无法找到反物质的身影,科学家只好把目光投向了微观粒子世界。

但是,自CP破坏理论提出后,科学家只在宇宙射线或加速器产生的介子(包含1个夸克和1个反夸克)——这类与我们现实世界关系不大的粒子中,发现了CP破坏现象,这让科研人员陷入了深深的怀疑。LHCb中国组选择重子开展实验研究,实现了突破。

寻找底重子就像在稻草堆里挑针

我们都听说过原子质子中子,但重子似乎少有人提及。“质子和中子都归属于重子。”谢跃红说,“实际上,重子由3个夸克组成,是构成可见物质的最主要成分。重子是一种分类方式,并不是具体名称,就像苹果和橘子都属于水果一样。”

此次实验中,研究团队利用大型强子对撞机LHC)模拟了宇宙大爆炸时的情形,产生一次又一次的小爆炸,获得了4万多个底重子(包含一个底夸克的重子)衰变事例和相应的反粒子衰变事例,实验发现,正物质重子与反物质重子的衰变率不对称性达2.45%,证明了重子衰变过程中会发生CP破坏现象。

参与实验的中国科学院大学副教授钱文斌将筛选重子的过程比喻为“在稻草堆里挑针”。“每秒钟可能产生上千万次事例,但大部分是噪声。从最早的取数到挑出这8万多个信号事例并进行分析,我们做了10多年。”北京大学助理教授张艳席补充道。

“其实,中国团队很早就瞄准了这个关键科学问题,前瞻布局,分析了10余种衰变过程,最终在1个底重子衰变为1个重子和3个介子的过程中清晰地看到了CP破坏现象。”清华大学副教授张黎明说。

CERN认为,这一结果有助于我们进一步认知宇宙演化过程,是人类探索基本对称性破坏历程中一座新的里程碑。

希望找到CP破坏与现有理论的差别

此次发现重子衰变中的CP破坏,不仅验证了粒子物理标准模型的预言,更为探索超越标准模型的新物理现象开辟了崭新路径。未来,LHCb中国组还将在现有实验基础上进行更精确的检验,进一步发现其与现有理论之间的细微差别。

高原宁解释,第一步我们看到了重子CP破坏,这和理论预期是一致的。“但现在的问题是,CP破坏的程度是否与理论严格一样。我们希望能够找到一些差别。粒子物理现有理论应该存在不足。如果完全按照现有理论发展到今天,我们的宇宙会比如今小得多。”

相信随着技术与实验性能的迭代升级,科学家将在更高的精度下解析CP破坏机制,重构138亿年前决定物质存续的关键瞬间,早日破解宇宙中正反物质不对称之谜。

高原宁希望,将来我国也能够建造这样一个大型强子对撞机,以科技创新的“中国力量”引领国际科研协作。通过构建开放共享的全球科学平台,吸引各国顶尖科研团队共同探索宇宙奥秘。这也是中华文明为推动整个世界文明进步应该作出的贡献。

来源:科普时报

作者:毕文婷

编辑:吴桐

审核:王飞

终审:尹传红

科学分类资讯推荐

打破垄断,扬杰科技,闷声发大财! - 天天要闻

打破垄断,扬杰科技,闷声发大财!

功率半导体,闷声发大财。功率半导体乍一听不太熟悉,但它多用于电力转换与调节,比如直流电与交流电转换、电压升降和频率转换等,可分为功率IC、分立器件、IGBT模块等。换言之,哪里要用电,哪里就有功率半导体。
地磁暴预警!我国北部有机会见到明显极光 - 天天要闻

地磁暴预警!我国北部有机会见到明显极光

6月1日,据中国气象局国家空间天气监测预警中心信息发布平台消息,北京时间5月31日7时45分左右,太阳活动区14100开始爆发耀斑,软X射线流量快速上升,并在8时05分达到峰值M8.1级中等耀斑强度。位于太阳表面中部偏北的明亮区域就是耀斑现象 SDO卫星中国气象局国家空间天气监测预警中心预判,未来三天,可能发生地磁暴。6月2...
北京海淀:党建联盟科普开放日  促科研交流成果转化 - 天天要闻

北京海淀:党建联盟科普开放日 促科研交流成果转化

6月1日,北京青年报记者从海淀区获悉,海淀区学院路街道举办了全国重点实验室党建联盟科普开放日活动。活动设置“成果展示、院史传承、学术研讨、实验室探秘、科普竞答”五大板块,打造沉浸式科技体验。数百名党....
明日,我国北部有望看到红绿复合极光! - 天天要闻

明日,我国北部有望看到红绿复合极光!

6月1日,据中国气象局国家空间天气监测预警中心信息发布平台消息,北京时间5月31日07时45分左右,太阳活动区14100开始爆发耀斑,软X射线流量快速上升,并在08时05分达到峰值M8.1级中等耀斑强度。中国气象局国家空间天气监测预警中心预
未来三天,可能发生地磁暴!我国北部有机会见到明显极光 - 天天要闻

未来三天,可能发生地磁暴!我国北部有机会见到明显极光

6月1日,据中国气象局国家空间天气监测预警中心信息发布平台消息,北京时间5月31日7时45分左右,太阳活动区14100开始爆发耀斑,软X射线流量快速上升,并在8时05分达到峰值M8.1级中等耀斑强度。中国气象局国家空间天气监测预警中心预判,未来三天,可能发生地磁暴。6月2日左右,我国北部有机会出现较为明显的极光,部分地区...
我国首个!在青海发射成功 - 天天要闻

我国首个!在青海发射成功

我国首个由中学生研制的10公里级气象探空火箭发射成功“飞燕一号”是我国首个由中学生研制的10公里级气象探空火箭。27日下午15时09分15秒,随着火箭发射现场总指挥倒计时结束,“飞燕一号”在青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖实验室腾空而起。1分钟后,遥测数据显示,火箭最高飞行高度海拔达10555米,地面接收站成功收...
成都动物园 这两只黑猩猩萌宝陪你过“六一”|图集 - 天天要闻

成都动物园 这两只黑猩猩萌宝陪你过“六一”|图集

“六一”儿童节,成都动物园也有两只黑猩猩宝宝一起过节。今年4月,成都动物园迎来了一对小黑猩猩,它们是来自山西太原动物园的兄妹“晋川”和“太都”。这两只黑猩猩年龄不到3岁,雄性取名晋川(寓意山西和四川....
今明可能有大地磁暴!或出现红绿极光 - 天天要闻

今明可能有大地磁暴!或出现红绿极光

北京时间5月31日07时45分左右,太阳活动区14100开始爆发耀斑,软X射线流量快速上升,并在08时05分达到峰值M8.1级中等耀斑强度。位于太阳表面中部偏北的明亮区域就是耀斑现象 SDO卫星伴随耀斑过程的发生,还出现了日冕物质抛射(CME)活动,太阳大气层中的等离子体高速飞出,形成一个近似球面的“冲击波”,向着太阳系传播。...