科技日報記者 畢文婷
CP（角色配對）被破壞了！是哪家CP？又要有多少CP粉絲傷心？
別慌，此CP并不是網(wǎng)絡(luò)流行語中的情侶CP，而是一種粒子物理現(xiàn)象。C（Charge Conjugation）是指電荷共軛，P（Parity）即宇稱?！昂唵蝸碚f，C就是把粒子變成它的反粒子，比如電子變成正電子；P則像是給粒子照鏡子，鏡子里的粒子和實(shí)際粒子左右相反，呈現(xiàn)鏡像?！?月27日，接受科技日報記者采訪時，中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)物理學(xué)院院長高原寧教授解釋道。
那CP破壞又是什么？華中師范大學(xué)教授謝躍紅進(jìn)一步解釋，以前我們一直以為CP是對稱守恒的，也就是說同時交換正反粒子并將它們鏡像翻轉(zhuǎn)后，其物理規(guī)律應(yīng)該保持不變。但是到了1964年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這種對稱守恒其實(shí)并不完全正確。真實(shí)情況是，謝躍紅做了一個比喻，“如果粒子照鏡子，鏡子里的反粒子和鏡子外的粒子會作出不一樣的行為，比如鏡子外的粒子‘舉左手’，鏡子里的反粒子可能根本沒有‘舉手’?！?nbsp;
人類首次觀測到重子CP破壞
近日，歐洲核子研究中心（CERN）在第59屆國際電弱相互作用和統(tǒng)一理論會議上宣布，大型強(qiáng)子對撞機(jī)底夸克實(shí)驗（LHCb）合作組首次在重子衰變中觀測到了CP破壞現(xiàn)象，為解釋宇宙中正反物質(zhì)不對稱提供了新線索。這一發(fā)現(xiàn)由高原寧、謝躍紅帶領(lǐng)的中國研究團(tuán)隊主導(dǎo)完成。
根據(jù)宇宙大爆炸理論，在138億年前，宇宙誕生時同時產(chǎn)生了等量的物質(zhì)與反物質(zhì)。但時至今日，我們所在的宇宙卻是一個由物質(zhì)主導(dǎo)的“天平傾斜”的世界?？茖W(xué)家認(rèn)為，其核心可能在于正反粒子行為的細(xì)微差異，即CP破壞讓物質(zhì)比反物質(zhì)多留下了大約十億分之一，就像沙灘上的10億粒沙子里有1粒沒被海浪沖走，最終形成了恒星、地球和我們。這一謎題被《科學(xué)》期刊列入全世界最前沿125個科學(xué)問題。
當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)相遇，它們會互相湮滅，一起消失，并轉(zhuǎn)化為能量釋放，因此在我們可見的宏觀世界中已經(jīng)無法找到反物質(zhì)的身影，科學(xué)家只好把目光投向了微觀粒子世界。但是，自CP破壞理論提出后，科學(xué)家只在宇宙射線或加速器產(chǎn)生的介子（包含1個夸克和1個反夸克）——這類與我們現(xiàn)實(shí)世界關(guān)系不大的粒子中，發(fā)現(xiàn)了CP破壞現(xiàn)象，這讓科研工作者陷入了深深的懷疑。LHCb中國組選擇重子開展實(shí)驗研究，實(shí)現(xiàn)了突破。
尋找底重子就像在稻草堆里挑針
我們都聽說過原子、質(zhì)子、中子，但重子似乎少有人提及。“質(zhì)子和中子都?xì)w屬于重子?！敝x躍紅說，“實(shí)際上，重子由3個夸克組成，是構(gòu)成可見物質(zhì)的最主要成分。這是一種分類方式，并不是具體名稱，就像蘋果和橘子都是水果一樣?！?/p>
此次實(shí)驗中，研究團(tuán)隊利用大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）模擬了宇宙大爆炸時的情形，產(chǎn)生一次又一次的小爆炸，獲得了4萬多個底重子衰變事例和相應(yīng)的反粒子衰變事例，實(shí)驗發(fā)現(xiàn)正物質(zhì)重子與反物質(zhì)重子的衰變率不對稱性達(dá)2.45%，證明了重子衰變過程中會發(fā)生CP破壞現(xiàn)象。
參與實(shí)驗的中國科學(xué)院大學(xué)副教授錢文斌將篩選重子對的過程比喻為“在稻草堆里挑針”?！懊棵腌娍赡墚a(chǎn)生上千萬次事例，但大部分是噪聲。從最早的取數(shù)到挑出這8萬多個信號事例并進(jìn)行分析，我們做了10多年?！北本┐髮W(xué)助理教授張艷席補(bǔ)充道。
“其實(shí)，中國團(tuán)隊很早就瞄準(zhǔn)了這個關(guān)鍵科學(xué)問題，前瞻布局，分析了10余種衰變過程，最終在1個底重子衰變?yōu)?個重子和3個介子的過程中清晰地看到了CP破壞現(xiàn)象?！鼻迦A大學(xué)副教授張黎明說。
CERN認(rèn)為，這一結(jié)果有助于我們進(jìn)一步認(rèn)知宇宙演化過程，是人類探索基本對稱性破壞歷程中一座新的里程碑。
與現(xiàn)有理論有差別？
此次發(fā)現(xiàn)重子衰變中的CP破壞，不僅驗證了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言，更為探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象開辟了嶄新路徑。未來，LHCb中國組還將在現(xiàn)有實(shí)驗基礎(chǔ)上進(jìn)行更精確的檢驗，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其與現(xiàn)有理論之間的細(xì)微差別。
高原寧解釋，第一步我們看到了重子CP破壞，這和理論預(yù)期是一致的。“但現(xiàn)在的問題是，CP破壞的程度是否與理論嚴(yán)格一樣。我們希望能夠找到一些差別。粒子物理現(xiàn)有理論應(yīng)該存在不足。如果完全按照現(xiàn)有理論發(fā)展到今天，我們的宇宙應(yīng)該比如今小得多?！?/p>
相信隨著技術(shù)與實(shí)驗性能的迭代升級，科學(xué)家將在更高的精度下解析CP破壞機(jī)制，重構(gòu)138億年前決定物質(zhì)存續(xù)的關(guān)鍵瞬間，早日破解宇宙中正反物質(zhì)不對稱之謎。高原寧希望，將來能夠由我國建造這樣一個大型對撞機(jī)，主導(dǎo)國際合作研究，“讓各國頂尖科研人員都來站站C位，這也是中華文明為推動整個世界文明進(jìn)步應(yīng)該作出的貢獻(xiàn)。”
