CERN的科學家認爲這個發現在粒子物理學的歷史上會成爲一個里程碑。（資料圖/圖）

（本文首發於2019年3月28日《南方週末》）

消失的反物質是困擾當今物理學家的最大謎團之一，歐洲核子研究中心（CERN）的科學家最近宣佈，他們通過歷時數年的數據收集，在大型強子對撞機（LHC）上發現了正-反物質不對稱的新來源。

物質與反物質的不對稱是當代物理學中最大的謎團之一，因爲這個問題的答案直接決定了宇宙、生命以及人類爲何得以存在。雖然粒子物理學家目前尚未找到對於這種不對稱的完備解釋，但是最近他們在尋找答案的路上邁出了重要一步。

2019年3月21日，歐洲核子研究中心（CERN）的LHCb合作組在一個年度會議上和一個CERN專門組織的研討會上同時宣佈，他們通過歷時數年的數據收集，在大型強子對撞機（LHC）上發現正-反物質不對稱的新來源，即一種叫做D0介子（電中性的D介子）的粒子在衰變過程中的電荷-宇稱破壞（CP破壞）會產生不等量的物質和反物質。

1898年，德國物理學家阿瑟·舒斯特（Arthur Schuster）首次提出了反物質的概念，他猜想存在反原子，甚至由反物質組成的太陽系。1928年，保羅·狄拉克（Paul Dirac）提出了狄拉克方程，並根據這個方程的解預言存在電子的反物質。1932年，卡爾·安德森（Karl Anderson）第一次在實驗中發現了電子的反物質，這種“反電子”後來被命名爲正電子（電子本身帶負電荷）。此後，物理學家對反物質的認識不斷加深。

我們現在知道，物質與對應的反物質（比如電子和正電子）的所有性質幾乎完全相同，除了擁有相反的電荷。當物質與反物質相遇時會發生湮滅，它們的能量以光子的形式被釋放出來。根據宇宙大爆炸理論，在宇宙形成的極早期，宇宙中存在等量的物質和反物質。但是經過138億年的演化，我們觀測範圍內的宇宙完全由物質組成，同時沒有觀測到物質與反物質湮滅產生的現象。因此，消失的反物質成爲困擾物理學家的一個重要問題。

針對這個問題，物理學家認爲在宇宙大爆炸的大約10-6秒後，物質和反物質的數量開始出現數量級爲10-10的極爲微小的差別，即相對於1000000000個反粒子，存在10000000001個粒子。正是得益於這極小的差別，物質逐漸開始佔據主導地位，我們的宇宙才得以存在並演化到今天。在這個過程中，CP破壞被認爲是產生宇宙物質和反物質不平衡的必要條件。CP對稱性指的是在電荷變換和宇稱變換（鏡像變換）共同作用下物理規律的不變性，而這種對稱性的破缺被稱作CP破壞。

在粒子物理標準模型中，物質由夸克和輕子組成，夸克有6種，輕子也有6種。它們都存在對應的反物質粒子。理論上，物質和對應的反物質應該是互爲完美鏡像。但是，實驗中的異常現象使得粒子物理學家開始關注一類被稱作介子的粒子。介子由一個某種類型的夸克和另一個某種類型的反夸克組成，中性介子可以自發轉變成它的反物質（反介子），反之亦然。在這個過程中，夸克會轉變成反夸克，或是反夸克轉變成夸克。然而，實驗發現這個本應對稱的過程在兩個方向上並不一致，導致產生的物質多於反物質。

1964年，詹姆斯·克羅寧（James Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）在美國布魯克海文國家實驗室發現了含有一個奇夸克的中性K介子存在CP破壞，這個發現使他們獲得了1980年諾貝爾物理學獎。到了2001年，研究人員在美國斯坦福直線加速器中心（SLAC laboratory）和日本高能加速器研究機構（KEK laboratory）發現了含有一個底夸克的中性B介子存在CP破壞，最早預言這個現象的小林誠（Kobayashi Makoto）和益川敏英（Toshihide Maskawa）獲得了2008年諾貝爾物理學獎。

以上兩種已知的CP破壞發生在包含奇夸克和底夸克的粒子中，它們都會導致正-反物質不對稱，確認由粒子物理標準模型描述的CP破壞模式，但是此前觀測到的CP破壞的規模太小，無法解釋我們觀測到的正-反物質之間在數量上的巨大差異。奇夸克和底夸克都帶有-1/3的電荷。粒子物理學家認爲，如果有帶正電荷的夸克也能形成具有正-反物質不對稱效應的粒子，那這個夸克就是帶有+2/3電荷的粲夸克。但是這種不對稱效應即便存在，也很難被觀測到。

這次LHCb合作組公佈的發現正是物理學家第一次在含有一個粲夸克的介子（D介子由一個粲夸克和一個上反夸克組成）中觀測到這種不對稱效應。爲了觀測這種不對稱性，LHCb的研究人員使用了LHC在2011年到2018年間向LHCb合作組提供的完整數據集，以尋找D介子和它的反粒子衰變成K介子或者π介子的過程。

CERN研究和計算主任埃克哈德·埃爾森（Eckhard Elsen）認爲這個發現在粒子物理學的歷史上會是一個里程碑，他在CERN官網上表示：“自從四十多年前發現D介子以來，粒子物理學家就猜想過D介子存在CP破壞的現象，但直到現在LHCb合作組才最終觀測到這種現象。”這次LHCb合作組公佈的觀測結果達到了5.3標準偏差（粒子物理學中判斷結果可信度的指標）的統計顯著性，而一般對粒子物理學家來說，達到5標準偏差就可以被認爲是一個新發現。因此，這次的發現很有說服力。

如果此次發現的造成正-反物質不對稱的機制不同於造成此前發現的涉及奇夸克和底夸克的不對稱機制，就會爲正-反物質不對稱提供新的來源，以幫助解釋早期宇宙中不對稱的起源。雖然這次的發現並不足以完全解決物質和反物質不對稱的問題，但在理解基本粒子的相互作用方面卻是一塊重要的拼圖。

這次的發現還會激發粒子物理學家在未來進行相關實驗的熱情，其中有些實驗已經啓動，有些正在論證中。在未來的10年內，經過升級的LHCb將會極大提高這類實驗測量的靈敏度，同時由日本高能加速器研究機構主持的另一項實驗（Belle IIexperiment）也會繼續深入研究B介子的CP破壞。包括CERN的反質子加速器（Antiproton Decelerator）和國際空間站的阿爾法磁譜儀2號（AMS-2 experiment）等實驗也都把反物質作爲研究的核心。此外，粒子物理學家還籌劃在未來進行實驗，以研究在中微子中是否存在正反物質不對稱。

我們無法斷言正-反物質不對稱這個問題何時可以得到最終解決，但是使用粲粒子（包含粲夸克的粒子）來尋找可能的CP破壞的新來源爲我們下一步的研究提供了更加廣闊的思路。藉助於不斷精確的實驗測量和更加完備的理論分析，我們有理由相信，徹底回答這個關乎宇宙和人類爲何得以存在的終極問題的日子不會太遙遠。