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反物质为何消失了?科学家给出新解释

消失的反物质是困扰当今物理学家的最大谜团之一,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家最近宣布,他们通过历时数年的数据收集,在大型强子对撞机(LHC)上发现了正-反物质不对称的新来源。

反物质为何消失了?科学家给出新解释

物质与反物质的不对称是当代物理学中最大的谜团之一,因为这个问题的答案直接决定了宇宙、生命以及人类为何得以存在。虽然粒子物理学家目前尚未找到对于这种不对称的完备解释,但是最近他们在寻找答案的路上迈出了重要一步。

2019年3月21日,欧洲核子研究中心(CERN)的LHCb合作组在一个年度会议上和一个CERN专门组织的研讨会上同时宣布,他们通过历时数年的数据收集,在大型强子对撞机(LHC)上发现正-反物质不对称的新来源,即一种叫做D0介子(电中性的D介子)的粒子在衰变过程中的电荷-宇称破坏(CP破坏)会产生不等量的物质和反物质。

1898年,德国物理学家阿瑟·舒斯特(Arthur Schuster)首次提出了反物质的概念,他猜想存在反原子,甚至由反物质组成的太阳系。1928年,保罗·狄拉克(Paul Dirac)提出了狄拉克方程,并根据这个方程的解预言存在电子的反物质。1932年,卡尔·安德森(Karl Anderson)第一次在实验中发现了电子的反物质,这种“反电子”后来被命名为正电子(电子本身带负电荷)。此后,物理学家对反物质的认识不断加深。

我们现在知道,物质与对应的反物质(比如电子和正电子)的所有性质几乎完全相同,除了拥有相反的电荷。当物质与反物质相遇时会发生湮灭,它们的能量以光子的形式被释放出来。根据宇宙大爆炸理论,在宇宙形成的极早期,宇宙中存在等量的物质和反物质。但是经过138亿年的演化,我们观测范围内的宇宙完全由物质组成,同时没有观测到物质与反物质湮灭产生的现象。因此,消失的反物质成为困扰物理学家的一个重要问题。

针对这个问题,物理学家认为在宇宙大爆炸的大约10-6秒后,物质和反物质的数量开始出现数量级为10-10的极为微小的差别,即相对于1000000000个反粒子,存在10000000001个粒子。正是得益于这极小的差别,物质逐渐开始占据主导地位,我们的宇宙才得以存在并演化到今天。在这个过程中,CP破坏被认为是产生宇宙物质和反物质不平衡的必要条件。CP对称性指的是在电荷变换和宇称变换(镜像变换)共同作用下物理规律的不变性,而这种对称性的破缺被称作CP破坏。

在粒子物理标准模型中,物质由夸克和轻子组成,夸克有6种,轻子也有6种。它们都存在对应的反物质粒子。理论上,物质和对应的反物质应该是互为完美镜像。但是,实验中的异常现象使得粒子物理学家开始关注一类被称作介子的粒子。介子由一个某种类型的夸克和另一个某种类型的反夸克组成,中性介子可以自发转变成它的反物质(反介子),反之亦然。在这个过程中,夸克会转变成反夸克,或是反夸克转变成夸克。然而,实验发现这个本应对称的过程在两个方向上并不一致,导致产生的物质多于反物质。

1964年,詹姆斯·克罗宁(James Cronin)和瓦尔·菲奇(Val Fitch)在美国布鲁克海文国家实验室发现了含有一个奇夸克的中性K介子存在CP破坏,这个发现使他们获得了1980年诺贝尔物理学奖。到了2001年,研究人员在美国斯坦福直线加速器中心(SLAC laboratory)和日本高能加速器研究机构(KEK laboratory)发现了含有一个底夸克的中性B介子存在CP破坏,最早预言这个现象的小林诚(Kobayashi Makoto)和益川敏英(Toshihide Maskawa)获得了2008年诺贝尔物理学奖。

以上两种已知的CP破坏发生在包含奇夸克和底夸克的粒子中,它们都会导致正-反物质不对称,确认由粒子物理标准模型描述的CP破坏模式,但是此前观测到的CP破坏的规模太小,无法解释我们观测到的正-反物质之间在数量上的巨大差异。奇夸克和底夸克都带有-1/3的电荷。粒子物理学家认为,如果有带正电荷的夸克也能形成具有正-反物质不对称效应的粒子,那这个夸克就是带有+2/3电荷的粲夸克。但是这种不对称效应即便存在,也很难被观测到。

这次LHCb合作组公布的发现正是物理学家第一次在含有一个粲夸克的介子(D0介子由一个粲夸克和一个上反夸克组成)中观测到这种不对称效应。为了观测这种不对称性,LHCb的研究人员使用了LHC在2011年到2018年间向LHCb合作组提供的完整数据集,以寻找D0介子和它的反粒子衰变成K介子或者π介子的过程。

CERN研究和计算主任埃克哈德·埃尔森(Eckhard Elsen)认为这个发现在粒子物理学的历史上会是一个里程碑,他在CERN官网上表示:“自从四十多年前发现D介子以来,粒子物理学家就猜想过D介子存在CP破坏的现象,但直到现在LHCb合作组才最终观测到这种现象。”这次LHCb合作组公布的观测结果达到了5.3标准偏差(粒子物理学中判断结果可信度的指标)的统计显著性,而一般对粒子物理学家来说,达到5标准偏差就可以被认为是一个新发现。因此,这次的发现很有说服力。

如果此次发现的造成正-反物质不对称的机制不同于造成此前发现的涉及奇夸克和底夸克的不对称机制,就会为正-反物质不对称提供新的来源,以帮助解释早期宇宙中不对称的起源。虽然这次的发现并不足以完全解决物质和反物质不对称的问题,但在理解基本粒子的相互作用方面却是一块重要的拼图。

这次的发现还会激发粒子物理学家在未来进行相关实验的热情,其中有些实验已经启动,有些正在论证中。在未来的10年内,经过升级的LHCb将会极大提高这类实验测量的灵敏度,同时由日本高能加速器研究机构主持的另一项实验(Belle IIexperiment)也会继续深入研究B介子的CP破坏。包括CERN的反质子加速器(Antiproton Decelerator)和国际空间站的阿尔法磁谱仪2号(AMS-2 experiment)等实验也都把反物质作为研究的核心。此外,粒子物理学家还筹划在未来进行实验,以研究在中微子中是否存在正反物质不对称。

我们无法断言正-反物质不对称这个问题何时可以得到最终解决,但是使用粲粒子(包含粲夸克的粒子)来寻找可能的CP破坏的新来源为我们下一步的研究提供了更加广阔的思路。借助于不断精确的实验测量和更加完备的理论分析,我们有理由相信,彻底回答这个关乎宇宙和人类为何得以存在的终极问题的日子不会太遥远。

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