作者 | 倪思潔

近日，歐洲核子研究中心（CERN）宣布，大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上的LHCb實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了D介子的正—反物質(zhì)不對稱性，并表示這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)“絕對會被寫進(jìn)粒子物理的教科書”。

這一發(fā)現(xiàn)被CERN研究和計(jì)算主任Eckhard Elsen稱為“粒子物理學(xué)歷史上的一個(gè)里程碑”。

電荷-宇稱變換將粒子與其鏡像中的反粒子互換（來源：CERN）

科學(xué)家到底發(fā)現(xiàn)了什么？這次發(fā)現(xiàn)為什么這么重要？為了解開這些問題，《中國科學(xué)報(bào)》專訪了中國科學(xué)院高能物理研究所副研究員李一鳴和意大利核物理研究院博士后陳繕真。

“地圖”與“不對稱”

雖說科學(xué)研究是一個(gè)依賴想象力的工作，但粒子物理學(xué)家也并非天馬行空。他們手上有一張“地圖”——粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，描述了強(qiáng)相互作用、弱相互作用及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型示意圖（來源：中科院高能物理研究所官網(wǎng)）

然后，他們按圖索驥解釋未知，并將這張地圖越畫越細(xì)。

按照這張“地圖”，科學(xué)家解釋了“世界是怎么形成的”。

陳繕真告訴記者，在宇宙大爆炸之初，宇宙是一個(gè)熾熱的純能量奇點(diǎn)。隨著宇宙的膨脹與冷卻，宇宙中的能量轉(zhuǎn)化成了大量的正反粒子對，此時(shí)正反物質(zhì)總量一樣多。接著，大量的正反粒子重新彼此結(jié)合，湮滅為光子，這個(gè)過程經(jīng)過了長久的反復(fù)，其能量最終成為了至今遍布宇宙中的微波背景輻射。然而在這個(gè)過程中，正反粒子的行為出現(xiàn)了些許不同，每十億個(gè)正反粒子湮滅的過程中，有一個(gè)正物質(zhì)粒子被留了下來，并最終組成了當(dāng)今宇宙中所有的物質(zhì)。

或許，這起初只是科學(xué)家的一種想象，不過，隨后他們真的找到了證據(jù)。

1956年，30歲的李政道和34歲的楊振寧在《質(zhì)疑弱相互作用中的宇稱守恒》一文中提出“宇稱不守恒定律”，質(zhì)疑了傳統(tǒng)的宇稱守恒定律，認(rèn)為宇稱在弱相互作用中是不守恒的。

“宇稱不守恒”是指在微觀世界中“左”和“右”居然不對稱?！氨确秸f，微觀粒子都有一種屬性叫螺旋度，可以分為左旋和右旋。然而，一種叫做中微子的微觀粒子卻全是‘左撇子’，世界上只有左旋中微子，沒有右旋中微子?！标惪樥嬲f。

在李政道和楊振寧之前，粒子物理學(xué)家確實(shí)已證實(shí)強(qiáng)相互作用和電磁力中的宇稱守恒，不過，弱相互作用中宇稱守恒一直沒能得到證實(shí)。

這篇質(zhì)疑傳統(tǒng)的論文，讓李楊二人在第二年就登上了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺。

“李—楊假說”得到驗(yàn)證后，科學(xué)家開始研究“電荷—宇稱不守恒”（又稱CP破壞），深入探索正反物質(zhì)之間到底存在怎樣的差別。

“電荷—宇稱不守恒是說某個(gè)粒子衰變的行為居然和它的反粒子不一樣，比方說左旋中微子和右旋反中微子之間的差異。”陳繕真說。

期待已久

在粒子物理學(xué)家的“地圖”上，有一類參與弱相互作用的基本粒子名為“夸克”。

夸克共分6種，按照理論預(yù)期，在其中3種組成的強(qiáng)子系統(tǒng)中，可以觀測到電荷—宇稱不守恒現(xiàn)象，這3種夸克分別是奇夸克、粲夸克、底夸克。

上世紀(jì)60年代，科學(xué)家在含有一個(gè)奇夸克的K介子中最早觀察到了電荷—宇稱不守恒；本世紀(jì)初，美國和日本的B工廠又發(fā)現(xiàn)了含有一個(gè)底夸克的B介子中的電荷—宇稱不守恒，證實(shí)了導(dǎo)致世界上存在六種夸克的機(jī)制。

“介子就是一種由一個(gè)正夸克和一個(gè)反夸克組成的粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型中有很多種由不同夸克組成的介子?！标惪樥嬲f。

這兩次發(fā)現(xiàn)分別獲得了1980年和2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

于是，含粲夸克介子的電荷—宇稱不守恒成了預(yù)料之中、卻遲遲得不到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的現(xiàn)象。

LHCb實(shí)驗(yàn)的目的之一，就是研究電荷—宇稱不守恒現(xiàn)象，深入理解宇宙中正反物質(zhì)不對稱性的來源。

“與奇夸克和底夸克比起來，粲夸克組成強(qiáng)子系統(tǒng)中的電荷—宇稱不守恒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證困難得多?！崩钜圾Q說。

正因如此，一直以來，B工廠、LHCb等有條件的實(shí)驗(yàn)組，都在苦苦尋找蛛絲馬跡。

終于，LHCb的科學(xué)家通過研究中性D介子，找到了粲夸克系統(tǒng)中物質(zhì)—反物質(zhì)不完全對稱的證據(jù)。

中性D介子由一個(gè)粲夸克和一個(gè)反上夸克粒子構(gòu)成，是最輕的含有粲夸克的介子。

“從發(fā)現(xiàn)D介子至今已有40年，粒子物理學(xué)家早就懷疑D介子系統(tǒng)中也存在電荷—宇稱不守恒，但直到現(xiàn)在，通過充分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，LHCb合作組才最終看到這種不對稱效應(yīng)?！盓lsen在宣布新成果時(shí)說。

為了觀察到電荷—宇稱不守恒現(xiàn)象，LHCb研究人員使用LHC在2011年至2018年期間提供給LHCb的所有數(shù)據(jù)，尋找D介子和它的反粒子的衰變。

“LHCb經(jīng)過數(shù)年積累，以前所未有的大量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)精度，首次發(fā)現(xiàn)粲夸克組成中性介子衰變中的電荷—宇稱不守恒現(xiàn)象?？梢哉f，這是個(gè)物理學(xué)家期待已久的發(fā)現(xiàn)?！崩钜圾Q說。

看不見的世界

LHCb研究組表示，此次發(fā)現(xiàn)的研究結(jié)果具有5.3標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)顯著性，超過了粒子物理學(xué)家用于聲明發(fā)現(xiàn)的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的閾值。

在粒子物理領(lǐng)域，新發(fā)現(xiàn)成立的閾值一般在5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，或稱“5—西格瑪”，這個(gè)數(shù)值越高，就說明發(fā)現(xiàn)的證據(jù)越堅(jiān)實(shí)。5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示新發(fā)現(xiàn)的置信度可以達(dá)到99.9999%。

“該測量將激發(fā)理論學(xué)家的工作，并為未來利用粲夸克粒子尋找電荷—宇稱不守恒起源的研究打開大門?！标惪樥嬲f。

不過，陳繕真也表示，迄今為止發(fā)現(xiàn)的弱相互作用中的電荷—宇稱不守恒，似乎仍然不足以解釋宇宙中的正反物質(zhì)的總量差異，所以，可能還會有新的物理根源，這將會是留給未來物理學(xué)家的問題。

目前，盡管粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型一直憑借著強(qiáng)大的洞察力，成為粒子物理學(xué)家最值得信賴的“地圖”，但長期以來，特別是在希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)之后，粒子物理學(xué)界一直在試圖尋找超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新現(xiàn)象，嘗試重新打造一張更好用的“地圖”。

“我們現(xiàn)在提到的基本粒子和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，是在一定條件下對客觀世界規(guī)律的科學(xué)描述，描述了一些已知現(xiàn)象，進(jìn)而預(yù)言新的現(xiàn)象，并被一個(gè)個(gè)地驗(yàn)證。”李一鳴說。

有趣的是，關(guān)于模型中所提到的“夸克”“介子”是否真實(shí)存在，粒子物理學(xué)家還是愿意選擇相信。

“每一個(gè)帶電粒子在穿過探測器的時(shí)候都會留下相應(yīng)的徑跡，并被探測器記錄下來。我們認(rèn)為，探測器記錄下的徑跡是真實(shí)存在的，這些粒子及其衰變也是真實(shí)存在的?！标惪樥嬲f。

“它們也許離日常生活經(jīng)驗(yàn)有些遠(yuǎn)，但其衰變產(chǎn)物在粒子探測器里一次次擊中硅微條產(chǎn)生的電信號，或在晶體里留下的閃光，卻是再真實(shí)不過了?！崩钜圾Q說。