在对称性中寻找破绽

  一个深刻的宇宙谜题 

1928年，物理学家狄拉克（Paul Dirac）提出了关于电子运动的理论，预言了电子的反粒子——正电子的存在。自那之后，所有已知基本粒子的反粒子，以及由夸克组成的强子的反物质对应物，都陆续在高能粒子加速器实验或宇宙线中被观测到。

然而，尽管验证了反物质在微观世界中确实存在，但天文学观测表明：在整个可观测宇宙中，所有恒星和行星都仍然是由普通物质构成的。反物质的存在极为稀少，几乎可以忽略不计。

这就构成了一个深刻的宇宙学难题：根据宇宙学模型，如果宇宙起源于大约138亿年前的大爆炸，那么在大爆炸后，宇宙中应当产生了等量的物质与反物质，而当它们相遇时会全部湮灭，只留下能量。但这显然没有发生，否则我们今天也不会看见恒星、行星，甚至是生命了。究竟是什么导致了物质和反物质之间的轻微不对称性，使今天我们看到的宇宙几乎完全由物质组成？

早在1967年，物理学家萨哈罗夫（Andrei Sakharov）就提出，如果宇宙满足几个条件那么就有可能演化出一个由物质主导的世界，其中一个条件是电荷共轭-宇称（CP）对称性必须被打破。

电荷共轭（C）能让正反电荷互换，将一个粒子转化为相应的反粒子。例如，对一个电子施加电荷共轭，就会得到一个正电子。宇称（P）则是让空间坐标（上下、左右、前后）翻转的变换，比如宇称能让一个以速度v、从左向右移动的电子改变方向，变成以速度-v、从右向左移动。换句话说，宇称对称会产生现实的镜像。

因此，当对一个以速度v运动的电子进行CP变换时，将得到一个以-v速度运动的正电子（即电子的反粒子）。也就是说，对物质实施CP变换，就能得到相应反物质的镜像。

那么，CP对称性是否能够被破坏？实验告诉我们，答案是肯定的。1957–1958年间，科学家就在实验中证明了弱相互作用能够打破P对称性和C对称性。1964年，科学家首次在一种中性K介子（介子由夸克与反夸克组成）衰变中观察到了CP破坏现象。随后，这种现象也在B介子和D介子中被相继观测到。

尽管如此，这些发现还远不足以解释为何宇宙中的反物质如此稀少，理论预言的CP破坏强度仍远低于解释这一宇宙不对称所需的程度。

这一背景下，科学家们一直在寻找更多CP破坏发生的“新场所”。近日，欧洲核子研究中心（CERN）的LHCb合作组宣布，物理学家首次明确观测到了重子衰变中的CP破坏。

新的里程碑。

理论预言，重子（包括质子、中子等）也会表现出CP破坏，但过去的实验仅观察到模糊的迹象。在重子中观测到CP破坏比在介子中要难得多，一方面是因为效应本身更微弱，另一方面则是因为所需的数据量极大。

在新的研究中，研究人员分析了超过八万例重子衰变事件，才终于首次明确地看到这些粒子之间的物质-反物质差异。

通常，粒子和它们的反粒子具有相同的质量和相反的电荷。但当它们发生转变或衰变成其他粒子时，比如原子核发生放射性衰变时，CP破坏就会打破这种镜像对称。这个效应可以表现为：粒子和反粒子以不同的速率衰变为更轻的粒子。这种微小差异可通过高灵敏度的探测器和精密的数据分析手段检测出来。

这次，LHCb合作组观测的对象是Λ_b⁰重子（beauty-lambda baryon），它由一个u夸克、一个d夸克和一个b夸克组成，是质子和中子的“重亲戚”。

研究人员筛选了LHCb探测器在LHC第一与第二运行期间（2009–2013年与2015–2018年）采集的数据，寻找Λ_b⁰衰变为一个质子、一个K介子以及一对带相反电荷的π介子的事件，并与其反粒子——反Λ_b⁰的对应衰变进行比较。通过统计每种衰变模式的发生次数，他们计算出Λ_b⁰和反Λ_b⁰之间的差异。

在碰撞中产生Λ_b⁰并衰变的示意图。（图/LHCb Collaboration）

结果显示，两类粒子衰变数之差除以二者之和为2.45%，误差约为0.47%。这个偏离值在统计上达到了5.2个标准差，高于在粒子物理中认定“发现”的标准阈值。

  谜题还未揭开 

这是一个新的里程碑。但令人困惑的是：已知的CP破坏强度远不足以解释宇宙为何几乎完全由物质组成而非反物质。这意味着，自然界中可能还存在未知的CP破坏机制——这是当前和未来高能物理研究的关键方向。

研究人员表示，观测到的CP破坏现象越多，测量得越精确，就越有可能在标准模型中发现漏洞，从而揭示新的物理规律。虽然关于宇宙的终极答案仍在远方，但每一次对称性的“破裂”，或许正是我们理解宇宙深处法则的钥匙。