宇宙萬物的誕生，都要感謝這個未解的秘密

2023-03-31 08:58:22 2

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覓這一現象的原因。

物理學家以為，這是由於正反物質並非完全對稱所導致的，但卻不能解說正物質的巨大優勢。研討者希望，對介子這種由正反兩種夸克組成的粒子的研討，能找出損壞平衡的額定力量。

咱們所在的世界，物質和反物質顯著不平衡，這是當今物理學的一大難題。現在看來，世界中並不存在由反物質組成的行星、恆星或星系，至少咱們沒有發現任何相關的痕跡。可是在世界的前期階段，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許多粒子反粒子對，兩者僅有電荷不同，之後它們又彼此碰撞，一同湮滅。到了今天，在世界現已充分冷卻之後，每10億個輻射粒子只留下了1個物質粒子。這點小小的盈利滿足創造出咱們的物質國際，可是，那些反粒子去哪了？

1967年，俄羅斯物理學家安德烈·扎哈羅夫（Andrei Sacharow）提出，物質之所以在數量上佔據了優勢，原因是物質粒子和反物質粒子之間存在細微差別。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著重要作用。咱們日常都會體驗到的一種對稱是空間鏡像對稱：當咱們從鏡子裡調查世界時，乍看上去鏡中國際和本來的國際一模相同。但假如仔細看，咱們會發現，右撇子在鏡子裡成了左撇子，右旋螺絲變成了左旋螺絲。

這相同適用於微觀世界中的粒子及其彼此作用。構成物質的粒子都具有自旋，即內涵的旋轉性質。依據自旋是指向運動方向仍是背離運動方向，科學家把粒子分為「右手徵」和「左手徵」。左手徵粒子的鏡像是右手徵的，就像右旋螺絲經空間反射變換後成了左旋螺絲相同。

可是，早在20世紀50年代，科學家就發現在放射性β衰變中只會產生左手徵粒子或相應的右手徵反粒子。經過β衰變產生的中微子乃至滿是左手徵的，對應的反粒子則總是右手徵粒子。由於沒有右手徵中微子的存在，所以左手徵中微子不存在空間鏡像。所以物理學家提出，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，還存在與電荷等內涵屬性有關的對稱。科學家把粒子與反粒子之間的對稱叫作電荷鏡像對稱，或電荷共軛對稱。這種對稱性在中微子身上也被打破了。現在為止沒有調查到左手徵反中微子的存在，所以左手徵中微子也沒有對應的電荷鏡像。

那麼，或許粒子和反粒子之間的對稱並非單純的電荷共軛對稱，而是將空間鏡像（P）和電荷鏡像（C）組合起來的聯合對稱？在這個「CP鏡子」中，左手徵中微子變成了右手徵反中微子——正如咱們在自然界中所調查到的那樣。物理學家希望，至少在理論上，CP鏡子能將物質國際完美轉換成適用相同物理定律的反物質版別。若果真如此，咱們所在的國際是帶正電的質子、帶負電的電子組成的物質國際，仍是由帶有相反電荷的反粒子組成的反物質國際，就只是叫法不同罷了了。

夸克和輕子（包括電子和中微子）是物質的根本組成部分，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夸克在自然界傍邊都是彼此結合在一同的。比如每個質子和中子都是由三個上夸克和下夸克組成。這些三個夸克組成的粒子被稱為重子。別的，咱們也調查到了夸克和反夸克組合而成的粒子，即所謂的介子。

可是，研討人員在1964年對中性粒子K介子進行的試驗，粉碎了粒子-反粒子完美對稱的希望。他們調查到，K介子的衰變行為與其反粒子並不相同。領導該研討的兩位科學家詹姆斯·克羅寧（James Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）憑仗這一發現於1980年獲得了諾貝爾獎。

由於這種對稱性破缺，粒子國際現在能夠清晰地與反粒子國際區別開來。關於咱們國際的演化，這種CP損壞發揮了關鍵作用，它有或許解說為何物質佔據了主導地位。

尋覓對稱破缺

這樣看來，好像一切都說的通了——但前提是試驗室中測出的對稱破缺強度足以形成世界中正反物質的不平衡。經過許多的K介子和B介子丈量試驗，咱們發現現實並非如此。在微觀世界的某個當地，或許還存在其他違反CP對稱的全新物理進程和現象。現在，藉助高精度試驗，科學家現已察覺到了一些蛛絲馬跡。

介子是研討粒子與反粒子不對稱性的良好對象，由於介子是由一個夸克和一個反夸克組成的——可算作是物質和反物質的混合體系。此外介子不穩定，會在很短的時間內衰變。其中的一個夸克會改變成新的夸克。原子核產生放射性衰變時，由三個夸克組成的中子也會經歷相似的進程。為了描繪這種衰變進程，物理學家藉助了所謂的費曼圖。這種圖表最初是為了更簡練直觀地標明核算規則而發明的。不同夸克的彼此轉化是根本作用力弱彼此作用的標誌性效果。在這一進程中，經過帶正電或負電、擔任傳遞弱彼此作用的W玻色子，帶有2/3正電荷的上夸克、粲夸克和頂夸克能夠改變為帶有1/3負電荷的下夸克、奇特夸克和底夸克，反之亦然。

夸克經過弱彼此作用轉化為另一種夸克，會導致一些雜亂的物理進程。例如，由奇特夸克和反底夸克組成的Bs介子能改變成反粒子，在極短時間內後者又會變回Bs介子。整個體系會在粒子和反粒子之間不斷振動。在全國際最大的粒子加速器、歐洲核子研討中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上，有一個名為LHCb的試驗設備在追尋這類特別進程。

風趣的是，在正反粒子的中間態裡出現了頂夸克，這種夸克的質量要比原始Bs介子高許多倍。乍眼看去，這好像並不或許——產生它們的能量從何而來？答案來自於量子力學，依據海森堡不確認性原理，在極短的時間內，能量守恆定律能夠暫時被打破。這些粒子處於虛擬的過渡態，它們會顯著影響振動頻率，因而科學家能夠經過準確丈量振動頻率，來驗證過渡態的理論假設是否正確。相同，科學家還能從中尋覓不知道新粒子發揮作用的痕跡，即便那些粒子質量極大。

到現在為止，把差錯考慮進去的話，理論核算的成果和丈量值能夠說是一致的。不幸的是，即便藉助核算機，對振動頻率進行實際核算也是困難重重，只能得到近似值。因而，理論核算成果的不確認性現在還遠遠大於丈量差錯。

量子效應不但能導致粒子在正反狀態振動，也能打破粒子和反粒子的對稱。另一種名為B0的B介子特別合適用來研討此類現象，由於據許多理論物理學家的猜測，這一類粒子在衰變時更容易遭到對稱性破缺的影響。與之前描繪過的粒子反粒子振動相似，咱們能夠經過介子的衰變來丈量CP損壞，這種介子能夠衰變為一個帶正電的K介子（由上夸克和反奇特夸克組成）和一個帶負電的π介子（由下夸克和反上夸克組成）。成果十分顯著：產生衰變的B0介子數量顯著大於介子的數量，切當地說，多了8%。關於更為稀有的Bs介子來講，正反粒子的差異乃至更為顯著，丈量顯現，衰變為K介子的Bs介子比其反粒子要多出近27%。

不知道的物理機制

經過許多的B介子衰變，咱們現已能十分準確地測出CP損壞的強度。LHCb的物理學家在此前史丹福大學BaBar試驗和日本筑波大學Belle試驗的基礎上，規劃了一系列準確的測驗試驗。不過，這次他們為大多數丈量擬定了新的準確度規範。與中性B介子粒子-反粒子振動有所不同的是，衰變進程中觀測到的許多不對稱性能夠在理論上準確地核算出來。因而，丈量成為了一種更有用的東西，可在衰變的量子修正中搜尋新粒子。一起它們也能幫咱們找出或許導致粒子和反粒子不對稱的新機制。研討人員也希望能從中間接得出答案，解說咱們國際的物質為何不對稱。

到現在為止，粒子物理規範模型對根本粒子國際相關現象的描繪是十分成功的。在這一理論中，只要在弱彼此作用進程中才會出現CP損壞。各種夸克改變進程，例如上夸克改變為下夸克、上夸克改變為底夸克，是嚴密關聯的——這些改變的概率存在固定聯繫，這種聯繫能夠用么正三角形來標明，其面積標明的便是觀測到的CP損壞強度。兩位日本理論物理學家小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）憑仗對這些現象的描繪獲得了2008年諾貝爾物理學獎。三角形的角度和邊長無法核算，只能經過試驗確認。把三角形的底設為單位長度1，測出別的兩個參數，就能確認整個三角形。

經過B0介子衰變為K介子和J /ψ介子（B0→J/ψ Ks）時的CP損壞強度測出三角形的β角，再依據B介子振動頻率得出側邊長，就得到了現在此三角形的最佳丈量成果。其他每種夸克改變也必須能用三角形的參數描繪，而三角形的任何不自洽之處，或許都標誌著某種規範模型之外的粒子或作用力。因而，LHCb的物理學家正經過多種不同辦法丈量三角形參數，找尋或許存在的偏差。

經過幾何核算，能夠得出此三角形的另一個角γ是65度。這一成果的不確認性很低，大概是2%~3%。不過，與此一起，這一角度也能夠藉助B±→D0K±等衰變反響中的CP損壞強度完全獨立地丈量出來。當然，這些進程十分稀有，因而γ角的丈量成果到現在為止都很不準確。LHCb的研討人員經過記載許多的B介子，能將差錯下降到大約5度。現在，試驗丈量出的成果是73.5度，雖然比幾何辦法核算出的成果要高，但在統計學上仍然是相符的。下一步要確認的是，隨著丈量精度的進步，這種差異是會消失掉，仍是會變得越來越顯著。

到現在為止，規範模型好像仍能正確描繪粒子物理的這一範疇。鑑於B介子相關物理進程中粒子和反粒子的不對稱性丈量相對繁瑣，原理也十分雜亂，得出這樣的成果雖不算驚人，但也相當可觀。可是，前面γ角核算那個比如標明，現在要給出清晰的定論還為時尚早。任何不知道粒子給量子效應和CP損壞帶來的影響都或許十分小，從而隱藏在仍然很大的不確認性背後。雖然物理學家在重子衰變中沒有發現CP損壞的清晰依據，但LHCb的研討者初次發現了與之相關的頭緒。

所謂的λ重子（即Λb，含有底夸克、上夸克和下夸克）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。這類衰變十分稀有，假如不是由於LHCb試驗反響速率快，反響量大，真的很難發現這種現象。初次丈量顯現，λ和反λ重子的衰變之間存在微小差異。可是，由於這類丈量差錯很大，所以物理學家甘願暫時將他們的調查成果稱為有力的頭緒。可是，假如更多的數據證明重子衰變中確實存在CP損壞，那麼或許這種現象實際上也存在於此前的各類粒子體系傍邊。這將為咱們打開一扇新的大門，有助於咱們更好地了解自然界的根本作用力和粒子。

在B0介子衰變為K介子和π介子進程中，能夠看出正反B0介子的行為存在差異：產生 B0→K+π–衰變（圖a）的B0介子數量要遠遠大於產生 →K-π+衰變（圖b）的介子。

除重子外，現在還有別的一類粒子也很難被準確丈量：那便是中性D介子。這種粒子的獨特之處在於，它是唯一一種擁有三分之二電荷夸克（即上夸克和粲夸克）的中性介子。雖然中性D介子是在B介子之前被發現的，可是直到2013年，科學家才經過LHCb試驗清晰無誤地證明它也存在混合，或者說振動現象，也便是介子和本身的反粒子能彼此改變。之所以很難調查到中性D介子的振動，是由於它的振動頻率過慢。在經歷滿足長期，得以轉化為反粒子之前，大多數粒子現已衰變了。因而，首選需求許多的D介子，只要這樣才能有一些十分長壽的粒子終究經歷正反粒子的轉化，並讓物理學家調查到。在D介子身上，粒子-反粒子不對稱更是難以調查到，由於依據理論預言，這個數值十分小。

雖然現在在LHCb上進行的對稱性測驗最高精度能到達0.1‰，可是收集到的數據還遠遠不足以調查到預期的不對稱性。不過，由於這種不對稱性很小，需求極為準確的丈量，所以一些意想不到的效應或許相對來說很強，能夠顯著影響丈量成果。因而，咱們仍是能夠期盼有驚喜出現的。

在丈量成果的不確認性相當大的情況下，新的物理現象有時會被掩蓋住，比如說，被當成大質量的不知道粒子帶來的效應。LHCb的科學家計劃在2030年前將數據集擴大十倍，一起還要優化探測器以能習慣更大的數據傳輸率，這樣就能顯著下降丈量中的不確認性。LHCb將幫助咱們進一步理解夸克物理中的粒子-反粒子對稱性破缺。假如真的存在不知道的新效應，LHCb應該能夠發現它們。此外，物理學家也在經過其他試驗研討中微子或許存在的CP損壞。或許，前期世界中真的還存在一些咱們此前不知道的粒子或CP損壞機制，由於很顯著，咱們現在在介子試驗中所調查到的CP損壞強度，並不足以解說為何世界中物質是過剩的。必定還有一些不知道的東西做出了奉獻，而它們必定會在粒子世界中留下蛛絲馬跡。咱們需要做的，便是去找到它們。