粒子物理学新里程碑!这项发现或揭开万物存在之谜

LHCb。来源:Maximilien Brice et al./CERN

为什么我们会存在?这个问题是现代物理学中最深奥的谜题之一。现在,我们离找到答案又更近了一步。欧洲核子研究中心刚刚公布的最新发现或许能为我们解答,宇宙中物质-反物质不对称性的新来源。

 

撰文 | CERN

来源 | 原理(ID:principle1687)

为了理解究竟发生了什么,让我们回到宇宙诞生之初。138亿年前,在大爆炸之后,宇宙中产生了等量的物质反物质。从最小的尘埃到巨大的恒星,宇宙中的每一个结构都是由物质构成的。但是,反物质也同样能完成这项工作。除了拥有相反的电荷之外,它们的性质几乎与物质一样。物质和反物质无法在同一个物理空间中共存,因为如果它们相遇,就会相互湮灭,以光子的形式释放出能量。

物质与反物质相遇会湮灭。| 图片来源:RealLifeLore/YouTube

但是,为什么我们所看到的宇宙完全是由物质构成的?如果曾经有等量的反物质产生,宇宙中的一切都应该湮灭,也就意味着不会有星系、恒星、行星、你、我的存在。为了解释为什么物质在那场终极湮灭大战中获得胜利,物理学家一直在寻找物质和反物质在行为上的微小差异。

3月21日,欧洲核子研究中心(CERN)的LHCb合作者在意大利的Rencontres de Moriond会议上公布了他们的最新发现:他们找到了解释物质-反物质不对称性的新来源。或者更精确地说,他们观测到了粲粒子(包含粲夸克的粒子)衰变中的电荷-宇称破坏(即CP破坏)。这个新的结果注定将被写进物理学的教科书。

物质与反物质

1898年,阿瑟·舒斯特发表在《自然》的两篇文章中首次提出了反物质的概念。1928年,保罗·狄拉克为反物质写下了坚实的理论基础。1932年,卡尔·安德森第一次在实验中发现正电子(电子的反物质)。

虽然反物质听起来似乎非常罕见,但事实上我们日常食用的香蕉(富含钾)中平均每75分钟就会释放出一个正电子。然后它们会与物质电子湮灭释放出光。

我们看到的所有物质都是由被称为夸克轻子的基本粒子组成的。夸克有六种:奇异。同样地,轻子也有六种:电子μ子τ子和三种中微子。这12种粒子都有其相应的反物质粒子,它们的唯一区别就是拥有相反的电荷。

标准模型中的基本粒子

理论上,反物质粒子应该是它们的物质伙伴的完美镜像。但实验表明,情况并非总是如此。以一种被称为介子的粒子为例,它是由一个夸克和一个反夸克组成的。中性介子具有一个迷人的特性:它们可以自发的转变成它们的反介子,反之亦然。在这个过程中,夸克会转变成反夸克,反夸克也会转变为夸克。但实验表明,随着时间的推移,这种情况会更多地朝一个方向发展——产生的物质要多于反物质。

自然并不总是对称的

在含有夸克的粒子中,只有那些包含奇异夸克底夸克的粒子被发现具有这种不对称性(即CP破坏)。这些都是非常重要的发现。

1964年,詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇第一次在中性K介子(包含了一个奇夸克)上观测到这种效应,这使得理论学家能够预测出六种夸克的存在——而那时已知存在的夸克只有三种。这在当时是非常令人震惊的发现,因为物理学界是如此肯定CP对称性是不会被破坏的。

1970年代初,在尼古拉·卡比博和其他人的工作之上,小林诚和益川敏英意识到CP破坏可以自然地被囊括在粒子物理学的标准模型的理论框架中。他们的想法最终在2001年得到了证实,当时BaBar和Belle合作组在中性B介子(包含了一个底夸克)衰变中也观测到了CP破坏。

这两项发现分别获得了1980年和2008年的诺贝尔物理学奖。

这些发现从根本上改变了我们对自然的理解

里程碑的新发现

奇异夸克和底夸克都带有负电荷(电荷均为-1/3)。理论上,粲夸克(电荷为+2/3)是唯一一个能形成具有物质-反物质不对称性的粒子的带正电荷的夸克。如果的确如此,那么这个效应也应该非常小,而且很难被探测到。

 

现在,LHCb实验第一次成功地在一种被称为D⁰介子(由一个粲夸克和一个反上夸克组成)的粒子中观测到了这种不对称性。为了观测这种不对称性,LHCb的研究人员使用了大型强子对撞机(LHC)在2011年至2018年间提供给LHCb实验的完整数据集(这些数据积累了足够的粒子衰变事件)。他们的目标是寻找D⁰介子及其反粒子(反D⁰)衰变成K介子和π介子的衰变率差别。这项研究结果的精确度达到了5.3标准偏差的统计显著性,要知道,在粒子物理学中,结果具有5个标准偏差就可以宣称是一个新发现了。这意味着我们很快就会在新的物理教科书上看到这一发现。

CP对称变换会将一个粒子与其反粒子的镜像互换。LHCb观测到,在D⁰介子(图右边的大球体)和它的反物质对应物反D⁰介子(图左边的大球体)衰变为其他粒子时,这种对称性会遭到破坏。| 图片来源:CERN

如果这种不对称性与导致奇异夸克和底夸克不对称性的机制不同,那么就为物质-反物质不对称性留出了空间,这可以增加早期宇宙中不对称性的总量。这很重要,因为少数已知的不对称案例无法解释为什么宇宙包含这么多物质。当然,单凭粲的发现还不足以填补这个空白,但这是理解基本粒子相互作用的一块重要拼图。

之后,理论物理学家需要更努力地去解释此次的发现,他们需要弄清楚标准模型是否可以解释这一结果。

虽然我们仍然不能完全解开物质-反物质不对称性之谜,但最新的发现或许打开了一扇通往未知现象的大门。相信终有一天,我们会揭开为什么我们得以存在的谜底。

参考来源:

https://home.cern/news/press-release/physics/lhcb-sees-new-flavour-matter-antimatter-asymmetry

http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#CPVcharm

https://theconversation.com/cern-study-sheds-light-on-one-of-physics-biggest-mysteries-why-theres-more-matter-than-antimatter-113947

https://indico.cern.ch/event/807176/attachments/1813407/2967809/CharmCPV_seminar.pdf

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