撰文 | 陳繕真 意大利核物理研究院

“

物理學家宣佈，他們在璨夸克系統中也找到物質和反物質不完全對稱的證據。這種不完全對稱是一件好事兒，不然不會有我們存在。

”

在歐洲核子研究中心（CERN）的LHCb實驗2019年3月21日在Rencontres de Moriond會議上和一個特別的CERN研討會上同時宣佈，他們發現了D0粒子的正-反物質不對稱性，或稱爲電荷-宇稱不守恆。這是一個在粒子物理髮展歷史上的里程碑式的研究結果，也必將改寫粒子物理學的教科書。

電荷-宇稱不守恆的發現歷史

“電荷-宇稱”變換是指一個粒子與其鏡像反粒子之間的變換。粒子物理學標準模型中的弱相互作用可以在在電荷-宇稱變換中引入一點微小的差異，進而使得正反物質在宇宙中的行爲略有不同。而這一點點微小的差異正是解釋宇宙中幾乎只存在正物質的關鍵之所在。

在宇宙大爆炸之初，宇宙是一個熾熱的純能量奇點。隨着宇宙的膨脹與冷卻，宇宙中的能量轉化成了大量的正-反粒子對，此時正反物質總量是一樣多的。隨着宇宙冷卻與膨脹的加劇，大量的正-反粒子又重新彼此結合，湮滅爲光子，成爲了至今遍佈宇宙中的微波背景輻射。然而在這個過程中，正反粒子的行爲出現了些許不同，每十億個正反粒子湮滅的過程中，有了一個正物質粒子被留了下來。正是這十億分之一殘留的正物質，使得如今宇宙不是空無一物，也組成了當今宇宙中所有的物質。

破缺的“鏡像”

爲何猶如鏡像一般的正反物質會有不一樣的表現？這是粒子物理學家們幾十年來所一直探求的問題。1956年，由李政道與楊振寧理論預言，並由華裔物理學家吳健雄實驗證實，發現了正反粒子的“宇稱”不守恆。也就是在微觀粒子世界，“左”與“右”並不完全相等。而在1964年，詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇在中性K粒子（奇異夸克系統）的衰變中發現了電荷-宇稱聯合對稱性破缺，這揭示了正反粒子行爲的微小差異。這個發現對當時的粒子物理學帶來了巨大的衝擊，也爲粒子物理學和宇宙學的核心問題打開了大門。1973年，在物理學家卡比博的研究的基礎上，小林誠和益川敏英建立了卡比博-小林-益川矩陣，給出了電荷-宇稱不守恆存在的必要條件，並在第二代夸克尚未完全發現的情況下預言了第三代夸克的存在。三代夸克的模型與輕子和相應的相互作用一起，奠定了如今粒子物理學標準模型的基礎。

粒子物理的標準模型

1974年，伯頓·里克特和丁肇中的團隊分別同時發現了第二代夸克中的缺席者——璨夸克。之後，第三代夸克中的底夸克與頂夸克分別於1977年和1995年在加速器中發現。至此，三代夸克的六種“味道”被全部發現。

進入新世紀之後，底夸克系統中的電荷-宇稱不守恆的現象被BaBar實驗和Belle實驗於2001年發現。由於第一代夸克（上夸克，下夸克）質量太輕太過穩定，而頂夸克壽命太短無法形成強子，到今天之前，強子衰變中電荷-宇稱不守恆的現象唯一的一塊缺失的一片拼圖就是璨夸克系統中的電荷-宇稱不守恆。

而今天，這塊缺失的拼圖被找到了。

電荷-宇稱鏡像下的D0粒子衰變

爲了尋找璨夸克系統中的電荷-宇稱不守恆，研究人員用了大型強子對撞機上的LHCb實驗在2011年到2018年間採集的所有數據中數千萬個D0粒子和它的反粒子的K或π粒子衰變事例來尋找正反粒子衰變中的微小差異。這一前所未有的大數據量，帶給了這一測量空前的靈敏度。在21日公佈的研究結果具有5.3標準偏差的統計顯着性，超過粒子物理學家用於聲明發現的5個標準偏差的閾值。該測量將激發理論學家的工作，併爲未來利用璨夸克粒子尋找電荷-宇稱不守恆起源的研究打開了大門。

更多信息，可以閱讀LHCb實驗關於這項研究的文章

http://cds.cern.ch/record/2668357/files/LHCb-PAPER-2019-006.pdf

以及CERN的新聞

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