宇宙「天平傾斜」,是因為重子CP破壞嗎?

CP被破壞了!是哪家CP?又要有多少CP粉傷心?

別慌,此CP並不是網路流行語中的情侶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,但大部分是雜訊。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。」

相信隨著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