会员服务 ·

CERN：关键粒子或将揭示反物质“消失”之谜

2019 年 3 月 22 日 科研圈

D-介子（一种由粲夸克组成的粒子）能够自发地变成自身的反粒子，反之亦然。而 CERN 的新研究发现，这个变化过程的两个方向并不是对等的，其中一个方向占据优势。如果这被证明是一种全新的机制，它将极大有助于解答物理学中的一个关键问题：为什么宇宙中物质远比反物质要多。

来源 the Conversation

撰文 Marco Gersabeck，曼彻斯特大学物理学讲师

翻译王嘉媛

编辑戚译引

我们因何存在？这可以说是最深奥的问题，而且似乎完全超出了粒子物理学的范畴。不过，在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上进行的新实验使我们离答案更近了一步。

要理解为什么，让我们回到 138 亿年前的大爆炸。这个事件产生了等量的物质和反物质。人们确信，每个粒子都存在一个与其自身几乎完全相同但具有相反电荷的反物质。当粒子和它的反粒子相遇时，它们会发生湮灭，化成一束光消失。

为什么我们今天看到的宇宙完全是由物质构成的，这是现代物理学最大的奥秘之一。如果当初存在等量的反物质，宇宙中的一切都会湮灭，早就不复存在。而我们的研究揭示了物质和反物质之间这种不对称的新来源。

寻找反物质

反物质在 1896 年由 Arthur Schuster 最先提出假设，1928 年 Paul Dirac 提供理论基础，并于 1932 年由 Carl Anderson 以反电子（称为正电子）的形式发现。正电子产生于天然放射性过程中，例如钾-40 的衰变，这意味着你的香蕉（含有钾）平均每 75 分钟释放一个正电子。然后这些正电子与物质电子湮灭，产生光。PET 扫描仪等医疗设备也能在同样的过程中产生反物质。

香蕉可以说是一种很硬核的水果了。图片来源：Pixabay

构成原子的基本成分是称为夸克和轻子的基本粒子（编者注：即不能被进一步分割的粒子）。夸克有 6 种：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。相似地，轻子也有 6 种：电子、μ 子、τ 子和三种中微子。这 12 种粒子也有其反物质，和它们的区别仅仅是电荷不同。

反物质粒子原则上应该是其正常粒子的完美镜像，但实验表明情况并非总是如此。例如，介子由一个夸克和一个反夸克组成，而中性介子具有一个吸引人的特征：它们可以自发地变成自身的反介子，反之亦然。在这个过程中，夸克变成反夸克，或者反夸克变成夸克。但是实验表明，这一过程在两个不同方向上发生的频率并不是相等的，而更多地发生在其中一个方向上，因此随着时间的推移，产生的物质会多于反物质。

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发现具有这种不对称性——这是非常重要的发现。1964 年首次观察到涉及奇夸克的不对称性，这使得理论学家们预测了 6 种夸克的存在，而当时只知道存在 3 种夸克。2001 年，科学家发现了底夸克的不对称性，最终证实了导致自然界中存在 6 种夸克的机制。这两项发现都获得了诺贝尔奖。

LHCb。图片来源：Maximilien Brice et al./CERN

奇夸克和底夸克都带有负电荷。唯一携带着正电荷、理论上衰变产物能够解释物质和反物质之间不对称性的粒子，就是粲夸克。但理论也表明，如果确实如此，那么这种效应应该很微弱，难以检测。

如今，LHCb 实验已经成功首次观察到由粲夸克组成的 D-介子的这种不对称性。由于我在十年前开创的 LHC 对撞实验中直接产生了数量空前的粲夸克，这一发现才成为可能。结果表明，这是一种统计波动的可能性大约为 2000 万分之一。

如果这种不对称性与导致奇夸克和底夸克不对称的机制不同，这就为物质—反物质不对称性的形成留下了空间，进而可能会增加早期宇宙中的这种不对称性。这很重要，因为少数已知的不对称情况无法解释为什么宇宙包含如此多的物质。仅靠粲夸克不对称性的发现不足以填补这一空白，但它是理解基本粒子相互作用的一块重要拼图。

下一步研究方向

这一发现之后将有更多的理论研究问世，以帮助解释这一结果。但更重要的是，它将概述进一步的测试，以加深我们发现后的理解——许多此类测试已在进行中。

在未来十年，升级的 LHCb 实验将提高对这类测量的灵敏度。日本的 Belle II 实验也将为这一目标进行补充，该实验刚刚开始运作。这些都是物质—反物质不对称研究的令人兴奋的前景。

反物质也是许多其他实验的核心。CERN 的反质子减速器（Antiproton Decelerator）正在制造整个的反原子，为其他许多高精度测量实验提供“原料”。国际空间站（International Space Station）上的 AMS-2 实验正在寻找来自宇宙起源时期的反物质。当下和未来的一些实验将解决中微子之间是否存在反物质不对称的问题。

虽然我们仍然无法彻底揭开宇宙物质—反物质不对称的神秘面纱，但我们的最新发现为精确测量时代打开了大门，让揭示未知现象成为可能。我们完全有理由乐观地认为，有一天物理学能够解释我们为何存在。

本文来自微信公众号“科研圈”。如需转载，请在“科研圈”后台回复“转载”，或通过公众号菜单与我们取得联系。原始文章请点击“阅读原文”。