D-介子（一種由粲夸克組成的粒子）能夠自發地變成自身的反粒子，反之亦然。而 CERN 的新研究發現，這個變化過程的兩個方向並不是對等的，其中一個方向佔據優勢。如果這被證明是一種全新的機制，它將極大有助於解答物理學中的一個關鍵問題：爲什麼宇宙中物質遠比反物質要多。

來源 the Conversation

撰文 Marco Gersabeck，曼徹斯特大學物理學講師

翻譯 王嘉媛

編輯 戚譯引

我們因何存在？ 這可以說是最深奧的問題，而且似乎完全超出了粒子物理學的範疇。不過，在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上進行的新實驗使我們離答案更近了一步。

要理解爲什麼，讓我們回到 138 億年前的大爆炸。這個事件產生了等量的物質和反物質。人們確信，每個粒子都存在一個與其自身幾乎完全相同但具有相反電荷的反物質。當粒子和它的反粒子相遇時，它們會發生湮滅，化成一束光消失。

爲什麼我們今天看到的宇宙完全是由物質構成的，這是現代物理學最大的奧祕之一。 如果當初存在等量的反物質，宇宙中的一切都會湮滅，早就不復存在。而我們的研究揭示了物質和反物質之間這種不對稱的新來源。

尋找反物質

反物質在 1896 年由 Arthur Schuster 最先提出假設，1928 年 Paul Dirac 提供理論基礎，並於 1932 年由 Carl Anderson 以反電子（稱爲正電子）的形式發現。正電子產生於天然放射性過程中，例如鉀-40 的衰變，這意味着你的香蕉（含有鉀）平均每 75 分鐘釋放一個正電子。然後這些正電子與物質電子湮滅，產生光。PET 掃描儀等醫療設備也能在同樣的過程中產生反物質。

香蕉可以說是一種很硬核的水果了。圖片來源：Pixabay

構成原子的基本成分是稱爲夸克和輕子的基本粒子（編者注：即不能被進一步分割的粒子）。夸克有 6 種：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克。相似地，輕子也有 6 種：電子、μ 子、τ 子和三種中微子。這 12 種粒子也有其反物質，和它們的區別僅僅是電荷不同。

反物質粒子原則上應該是其正常粒子的完美鏡像，但實驗表明情況並非總是如此。例如，介子由一個夸克和一個反夸克組成，而中性介子具有一個吸引人的特徵：它們可以自發地變成自身的反介子，反之亦然。在這個過程中，夸克變成反夸克，或者反夸克變成夸克。 但是實驗表明，這一過程在兩個不同方向上發生的頻率並不是相等的，而更多地發生在其中一個方向上，因此隨着時間的推移，產生的物質會多於反物質。

奇妙的夸克世界

此前，在含有夸克的粒子中，只有那些包含奇夸克和底夸克的粒子被發現具有這種不對稱性——這是非常重要的發現。1964 年首次觀察到涉及奇夸克的不對稱性，這使得理論學家們預測了 6 種夸克的存在，而當時只知道存在 3 種夸克。2001 年，科學家發現了底夸克的不對稱性，最終證實了導致自然界中存在 6 種夸克的機制。這兩項發現都獲得了諾貝爾獎。

LHCb。圖片來源：Maximilien Brice et al./CERN

奇夸克和底夸克都帶有負電荷。唯一攜帶着正電荷、理論上衰變產物能夠解釋物質和反物質之間不對稱性的粒子，就是粲夸克。但理論也表明，如果確實如此，那麼這種效應應該很微弱，難以檢測。

如今，LHCb 實驗已經成功首次觀察到由粲夸克組成的 D-介子的這種不對稱性。由於我在十年前開創的 LHC 對撞實驗中直接產生了數量空前的粲夸克，這一發現才成爲可能。結果表明，這是一種統計波動的可能性大約爲 2000 萬分之一。

如果這種不對稱性與導致奇夸克和底夸克不對稱的機制不同，這就爲物質—反物質不對稱性的形成留下了空間，進而可能會增加早期宇宙中的這種不對稱性。這很重要，因爲少數已知的不對稱情況無法解釋爲什麼宇宙包含如此多的物質。僅靠粲夸克不對稱性的發現不足以填補這一空白，但它是理解基本粒子相互作用的一塊重要拼圖。

下一步研究方向

這一發現之後將有更多的理論研究問世，以幫助解釋這一結果。但更重要的是，它將概述進一步的測試，以加深我們發現後的理解——許多此類測試已在進行中。

在未來十年，升級的 LHCb 實驗將提高對這類測量的靈敏度。日本的 Belle II 實驗也將爲這一目標進行補充，該實驗剛剛開始運作。這些都是物質—反物質不對稱研究的令人興奮的前景。

反物質也是許多其他實驗的核心。CERN 的反質子減速器（Antiproton Decelerator）正在製造整個的反原子，爲其他許多高精度測量實驗提供“原料”。國際空間站（International Space Station）上的 AMS-2 實驗正在尋找來自宇宙起源時期的反物質。當下和未來的一些實驗將解決中微子之間是否存在反物質不對稱的問題。

雖然我們仍然無法徹底揭開宇宙物質—反物質不對稱的神祕面紗，但我們的最新發現爲精確測量時代打開了大門，讓揭示未知現象成爲可能。我們完全有理由樂觀地認爲，有一天物理學能夠解釋我們爲何存在。