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                正—反物質不對稱性有了新證據

                北極蚊子 2019-3-28 15:20

                近日,歐洲核子研究中心(CERN)宣布,大型強子對撞機(LHC)上的LHCb實驗發現了D介子的正—反物質不對稱性,并表示這項發現“絕對會被寫進粒子物理的教科書”。這一發現被CERN研究和計算主任Eckhard Elsen稱為“粒子物理學歷史上的一個里程碑”。


                電荷-宇稱變換將粒子與其鏡像中的反粒子互換(來源:CERN)

                科學家到底發現了什么?這次發現為什么這么重要?為了解開這些問題,《中國科學報》專訪了中國科學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”

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


                粒子物理標準模型示意圖(來源:中科院高能物理研究所官網)

                然后,他們按圖索驥解釋未知,并將這張地圖越畫越細。

                按照這張“地圖”,科學家解釋了“世界是怎么形成的”。

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

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

                1956年,30歲的李政道和34歲的楊振寧在《質疑弱相互作用中的宇稱守恒》一文中提出“宇稱不守恒定律”,質疑了傳統的宇稱守恒定律,認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,粒子物理學家確實已證實強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。

                這篇質疑傳統的論文,讓李楊二人在第二年就登上了諾貝爾物理學獎的領獎臺。

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

                “電荷—宇稱不守恒是說某個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!标惪樥嬲f。

                期待已久

                在粒子物理學家的“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,按照理論預期,在其中3種組成的強子系統中,可以觀測到電荷—宇稱不守恒現象,這3種夸克分別是奇夸克、粲夸克、底夸克。

                上世紀60年代,科學家在含有一個奇夸克的K介子中最早觀察到了電荷—宇稱不守恒;本世紀初,美國和日本的B工廠又發現了含有一個底夸克的B介子中的電荷—宇稱不守恒,證實了導致世界上存在六種夸克的機制。

                “介子就是一種由一個正夸克和一個反夸克組成的粒子,標準模型中有很多種由不同夸克組成的介子!标惪樥嬲f。

                這兩次發現分別獲得了1980年和2008年諾貝爾物理學獎。

                于是,含粲夸克介子的電荷—宇稱不守恒成了預料之中、卻遲遲得不到實驗檢驗的現象。

                LHCb實驗的目的之一,就是研究電荷—宇稱不守恒現象,深入理解宇宙中正反物質不對稱性的來源。

                “與奇夸克和底夸克比起來,粲夸克組成強子系統中的電荷—宇稱不守恒效應實驗驗證困難得多!崩钜圾Q說。

                正因如此,一直以來,B工廠、LHCb等有條件的實驗組,都在苦苦尋找蛛絲馬跡。

                終于,LHCb的科學家通過研究中性D介子,找到了粲夸克系統中物質—反物質不完全對稱的證據。

                中性D介子由一個粲夸克和一個反上夸克粒子構成,是最輕的含有粲夸克的介子。

                “從發現D介子至今已有40年,粒子物理學家早就懷疑D介子系統中也存在電荷—宇稱不守恒,但直到現在,通過充分的實驗數據樣本,LHCb合作組才最終看到這種不對稱效應!盓lsen在宣布新成果時說。

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

                “LHCb經過數年積累,以前所未有的大量數據和實驗精度,首次發現粲夸克組成中性介子衰變中的電荷—宇稱不守恒現象?梢哉f,這是個物理學家期待已久的發現!崩钜圾Q說。

                看不見的世界

                LHCb研究組表示,此次發現的研究結果具有5.3標準偏差的統計顯著性,超過了粒子物理學家用于聲明發現的5個標準偏差的閾值。

                在粒子物理領域,新發現成立的閾值一般在5個標準偏差,或稱“5—西格瑪”,這個數值越高,就說明發現的證據越堅實。5個標準偏差表示新發現的置信度可以達到99.9999%。

                “該測量將激發理論學家的工作,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,迄今為止發現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家的問題。

                目前,盡管粒子物理標準模型一直憑借著強大的洞察力,成為粒子物理學家最值得信賴的“地圖”,但長期以來,特別是在希格斯粒子被發現之后,粒子物理學界一直在試圖尋找超出粒子物理標準模型的新現象,嘗試重新打造一張更好用的“地圖”。

                “我們現在提到的基本粒子和粒子物理標準模型,是在一定條件下對客觀世界規律的科學描述,描述了一些已知現象,進而預言新的現象,并被一個個地驗證!崩钜圾Q說。

                有趣的是,關于模型中所提到的“夸克”“介子”是否真實存在,粒子物理學家還是愿意選擇相信。

                “每一個帶電粒子在穿過探測器的時候都會留下相應的徑跡,并被探測器記錄下來。我們認為,探測器記錄下的徑跡是真實存在的,這些粒子及其衰變也是真實存在的!标惪樥嬲f。

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

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