CP被破壞了！是哪家CP？又要有多少CP粉傷心？
別慌，此CP並不是網絡流行語中的情侶CP，而是一種粒子物理現象。C（Charge Conjugation）是指電荷共軛，P（Parity）即宇稱。“簡單來說，C就是把粒子變成它的反粒子，比如電子變成正電子；P則像是給粒子照鏡子，鏡子里的粒子和實際粒子左右相反，呈現鏡像。”3月27日，在接受科普時報記者採訪時，中國科學院院士、北京大學物理學院院長高原寧教授解釋道。
圖為利用大型強子對撞機（LHC）模擬宇宙大爆炸時的情形，產生了大量正反重子，這些重子在極短時間內發生衰變。科研人員在這一過程中觀察到CP破壞現象。（受訪者供圖）
那CP破壞又是什麼？華中師範大學教授謝躍紅進一步解釋，以前我們一直以為CP是對稱守恆的，也就是說同時交換正反粒子並將它們鏡像翻轉後，其物理規律應該保持不變。但是到了1964年，科學家發現這種對稱守恆其實並不完全正確。真實情況是——謝躍紅做了一個比喻：“如果粒子照鏡子，鏡子里的反粒子和鏡子外的粒子會做出不一樣的行為，比如鏡子外的粒子‘舉左手’，鏡子里的反粒子可能根本沒‘舉手’。”
人類首次觀測到重子CP破壞
近日，歐洲核子研究中心（CERN）在第59屆國際電弱相互作用和統一理論會議上宣布，大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）合作組首次在重（zhònɡ）子衰變中觀測到了CP破壞現象，為解釋宇宙中正反物質不對稱提供了新的線索。這一發現由高原寧、謝躍紅帶領的中國研究團隊主導完成。
根據宇宙大爆炸理論，在138億年前，宇宙誕生時同時產生了等量的物質與反物質。但時至今日，我們所在的宇宙卻是一個由物質主導的“天平傾斜”的世界。科學家認為，其核心可能在於正反粒子行為的細微差異，即CP破壞讓物質比反物質多留下了大約十億分之一，就像沙灘上的10億粒沙子里有1粒沒被海浪沖走，最終形成了恆星、地球和我們。這一謎題被《科學》期刊列入全世界最前沿的125個科學問題。
當物質與反物質相遇，它們會互相湮滅，一起消失，並轉化為能量釋放。因此，在我們可見的宏觀世界中已經無法找到反物質的身影，科學家只好把目光投向了微觀粒子世界。
但是，自CP破壞理論提出後，科學家只在宇宙射線或加速器產生的介子（包含1個夸克和1個反夸克）——這類與我們現實世界關係不大的粒子中，發現了CP破壞現象，這讓科研人員陷入了深深的懷疑。LHCb中國組選擇重子開展實驗研究，實現了突破。
尋找底重子就像在稻草堆里挑針
我們都聽說過原子、質子、中子，但重子似乎少有人提及。“質子和中子都歸屬於重子。”謝躍紅說，“實際上，重子由3個夸克組成，是構成可見物質的最主要成分。重子是一種分類方式，並不是具體名稱，就像蘋果和橘子都屬於水果一樣。”
此次實驗中，研究團隊利用大型強子對撞機（LHC）模擬了宇宙大爆炸時的情形，產生一次又一次的小爆炸，獲得了4萬多個底重子（包含一個底夸克的重子）衰變事例和相應的反粒子衰變事例，實驗發現，正物質重子與反物質重子的衰變率不對稱性達2.45%，證明了重子衰變過程中會發生CP破壞現象。
參與實驗的中國科學院大學副教授錢文斌將篩選重子的過程比喻為“在稻草堆里挑針”。“每秒鐘可能產生上千萬次事例，但大部分是噪聲。從最早的取數到挑出這8萬多個信號事例並進行分析，我們做了10多年。”北京大學助理教授張艷席補充道。
“其實，中國團隊很早就瞄準了這個關鍵科學問題，前瞻布局，分析了10餘種衰變過程，最終在1個底重子衰變為1個重子和3個介子的過程中清晰地看到了CP破壞現象。”清華大學副教授張黎明說。
CERN認為，這一結果有助於我們進一步認知宇宙演化過程，是人類探索基本對稱性破壞歷程中一座新的里程碑。
希望找到CP破壞與現有理論的差別
此次發現重子衰變中的CP破壞，不僅驗證了粒子物理標準模型的預言，更為探索超越標準模型的新物理現象開闢了嶄新路徑。未來，LHCb中國組還將在現有實驗基礎上進行更精確的檢驗，進一步發現其與現有理論之間的細微差別。
高原寧解釋，第一步我們看到了重子CP破壞，這和理論預期是一致的。“但現在的問題是，CP破壞的程度是否與理論嚴格一樣。我們希望能夠找到一些差別。粒子物理現有理論應該存在不足。如果完全按照現有理論發展到今天，我們的宇宙會比如今小得多。”
相信隨着技術與實驗性能的迭代升級，科學家將在更高的精度下解析CP破壞機制，重構138億年前決定物質存續的關鍵瞬間，早日破解宇宙中正反物質不對稱之謎。
高原寧希望，將來我國也能夠建造這樣一個大型強子對撞機，以科技創新的“中國力量”引領國際科研協作。通過構建開放共享的全球科學平台，吸引各國頂尖科研團隊共同探索宇宙奧秘。這也是中華文明為推動整個世界文明進步應該作出的貢獻。
來源：科普時報
作者：畢文婷
編輯：吳桐
審核：王飛
終審：尹傳紅
