物理学家进一步证实正-反物质的不对称性

腾讯科技讯（陈缮真：意大利核物理研究院）在欧洲核子研究中心（CERN）的 LHCb 实验今日（2019 年 3 月 21 日）在 Rencontres de Moriond 会议上和一个特别的 CERN 研讨会上同时宣布，他们发现了 D0 粒子的正-反物质不对称性，或称为电荷-宇称不守恒。这是一个在粒子物理发展历史上的里程碑式的研究结果，也必将改写粒子物理学的教科书。

　“电荷-宇称”变换是指一个粒子与其镜像反粒子之间的变换。粒子物理学标准模型中的弱相互作用可以在在电荷-宇称变换中引入一点微小的差异，进而使得正反物质在宇宙中的行为略有不同。而这一点点微小的差异正是解释宇宙中几乎只存在正物质的关键之所在。
　　在宇宙大爆炸之初，宇宙是一个炽热的纯能量奇点。随着宇宙的膨胀与冷却，宇宙中的能量转化成了大量的正-反粒子对，此时正反物质总量是一样多的。
　　随着宇宙冷却与膨胀的加剧，大量的正-反粒子又重新彼此结合，湮灭为光子，成为了至今遍布宇宙中的微波背景辐射。然而在这个过程中，正反粒子的行为出现了些许不同，每十亿个正反粒子湮灭的过程中，有了一个正物质粒子被留了下来。正是这十亿分之一残留的正物质，使得如今宇宙不是空无一物，也组成了当今宇宙中所有的物质。
为何犹如镜像一般的正反物质会有不一样的表现？这是粒子物理学家们几十年来所一直探求的问题。
　　1956 年，由李政道与杨振宁理论预言，并由华裔物理学家吴健雄实验证实，发现了正反粒子的“宇称”不守恒。也就是在微观粒子世界，“左”与“右”并不完全相等。而在 1964 年，詹姆斯o克罗宁和瓦尔o菲奇在中性K粒子（奇异夸克系统）的衰变中发现了电荷-宇称联合对称性破缺，这揭示了正反粒子行为的微小差异。这个发现对当时的粒子物理学带来了巨大的冲击，也为粒子物理学和宇宙学的核心问题打开了大门。
　　1973 年，在物理学家卡比博的研究的基础上，小林诚和益川敏英建立了卡比博-小林-益川矩阵，给出了电荷-宇称不守恒存在的必要条件，并在第二代夸克尚未完全发现的情况下预言了第三代夸克的存在。三代夸克的模型与轻子和相应的相互作用一起，奠定了如今粒子物理学标准模型的基础。
1974 年，伯顿o里克特和丁肇中的团队分别同时发现了第二代夸克中的缺席者——璨夸克。之后，第三代夸克中的底夸克与顶夸克分别于 1977 年和 1995 年在加速器中发现。至此，三代夸克的六种“味道”被全部发现。
　　进入新世纪之后，底夸克系统中的电荷-宇称不守恒的现象被 BaBar 实验和 Belle 实验于 2001 年发现。由于第一代夸克（上夸克，下夸克）质量太轻太过稳定，而顶夸克寿命太短无法形成强子，到今天之前，强子衰变中电荷-宇称不守恒的现象唯一的一块缺失的一片拼图就是璨夸克系统中的电荷-宇称不守恒。
　　而今天，这块缺失的拼图被找到了。
为了寻找璨夸克系统中的电荷-宇称不守恒，研究人员用了大型强子对撞机上的 LHCb 实验在 2011 年到 2018 年间采集的所有数据中数千万个 D0 粒子和它的反粒子的K或π粒子衰变事例来寻找正反粒子衰变中的微小差异。
　　这一前所未有的大数据量，带给了这一测量空前的灵敏度。在今天公布的研究结果具有 5.3 标准偏差的统计显着性，超过粒子物理学家用于声明发现的 5 个标准偏差的阈值。该测量将激发理论学家的工作，并为未来利用璨夸克粒子寻找电荷-宇称不守恒起源的研究打开了大门。