我們所處的世界，物質(zhì)和反物質(zhì)明顯不平衡，這是當今物理學(xué)的一大難題。目前看來(lái)，宇宙中并不存在由反物質(zhì)組成的行星、恒星或星系，至少我們尚未發(fā)現任何相關(guān)的跡象。然而在宇宙的早期階段，正反兩種物質(zhì)應該是等量存在的。在那時(shí)，高能輻射不斷創(chuàng )造出大量粒子反粒子對，兩者僅有電荷不同，之后它們又相互碰撞，一起湮滅。到了今天，在宇宙已經(jīng)充分冷卻之后，每10億個(gè)輻射粒子只留下了1個(gè)物質(zhì)粒子。這點(diǎn)小小的盈余足夠創(chuàng )造出我們的物質(zhì)世界，但是，那些反粒子去哪了？

　　1967年，俄羅斯物理學(xué)家安德烈·扎哈羅夫（Andrei Sacharow）提出，物質(zhì)之所以在數量上占據了優(yōu)勢，原因是物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子之間存在細微差別。兩者之間必定存在這樣或那樣的不同，而不是完全對稱(chēng)——科學(xué)家把這種現象稱(chēng)為對稱(chēng)性破缺。

　　對稱(chēng)性在物理學(xué)中起著(zhù)重要作用。我們日常都會(huì )體驗到的一種對稱(chēng)是空間鏡像對稱(chēng)：當我們從鏡子里觀(guān)察世界時(shí)，乍看上去鏡中世界和本來(lái)的世界一模一樣。但如果仔細看，我們會(huì )發(fā)現，右撇子在鏡子里成了左撇子，右旋螺絲變成了左旋螺絲。

　　這同樣適用于微觀(guān)世界中的粒子及其相互作用。構成物質(zhì)的粒子都具有自旋，即內在的旋轉性質(zhì)。根據自旋是指向運動(dòng)方向還是背離運動(dòng)方向，科學(xué)家把粒子分為“右手征”和“左手征”。左手征粒子的鏡像是右手征的，就像右旋螺絲經(jīng)空間反射變換后成了左旋螺絲一樣。

　　然而，早在20世紀50年代，科學(xué)家就發(fā)現在放射性β衰變中只會(huì )產(chǎn)生左手征粒子或相應的右手征反粒子。通過(guò)β衰變產(chǎn)生的中微子甚至全是左手征的，對應的反粒子則總是右手征粒子。由于沒(méi)有右手征中微子的存在，所以左手征中微子不存在空間鏡像。于是物理學(xué)家提出，在自然界中，這種名為宇稱(chēng)（P）的鏡像對稱(chēng)是破缺的。

　　除了空間對稱(chēng)以外，還存在與電荷等內在屬性有關(guān)的對稱(chēng)?？茖W(xué)家把粒子與反粒子之間的對稱(chēng)叫作電荷鏡像對稱(chēng)，或電荷共軛對稱(chēng)。這種對稱(chēng)性在中微子身上也被打破了。目前為止沒(méi)有觀(guān)察到左手征反中微子的存在，所以左手征中微子也沒(méi)有對應的電荷鏡像。

　　那么，也許粒子和反粒子之間的對稱(chēng)并非單純的電荷共軛對稱(chēng)，而是將空間鏡像（P）和電荷鏡像（C）組合起來(lái)的聯(lián)合對稱(chēng)？在這個(gè)“CP鏡子”中，左手征中微子變成了右手征反中微子——正如我們在自然界中所觀(guān)察到的那樣。物理學(xué)家期望，至少在理論上，CP鏡子能將物質(zhì)世界完美轉換成適用相同物理定律的反物質(zhì)版本。若果真如此，我們所在的宇宙是帶正電的質(zhì)子、帶負電的電子組成的物質(zhì)世界，還是由帶有相反電荷的反粒子組成的反物質(zhì)世界，就只是叫法不同而已了。

　　夸克和輕子（包括電子和中微子）是物質(zhì)的基本組成部分，它們都有與之對應的帶有相反電荷的反粒子。這些帶有分數電荷的夸克在自然界當中都是相互結合在一起的。比如每個(gè)質(zhì)子和中子都是由三個(gè)上夸克和下夸克組成。這些三個(gè)夸克組成的粒子被稱(chēng)為重子。另外，我們也觀(guān)察到了夸克和反夸克組合而成的粒子，即所謂的介子。

　　然而，研究人員在1964年對中性粒子K介子進(jìn)行的實(shí)驗，粉碎了粒子-反粒子完美對稱(chēng)的希望。他們觀(guān)察到，K介子的衰變行為與其反粒子并不相同。領(lǐng)導該研究的兩位科學(xué)家詹姆斯·克羅寧（James Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）憑借這一發(fā)現于1980年獲得了諾貝爾獎。

　　由于這種對稱(chēng)性破缺，粒子世界現在可以明確地與反粒子世界區分開(kāi)來(lái)。對于我們宇宙的演化，這種CP破壞發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它有可能解釋為何物質(zhì)占據了主導地位。

　　尋找對稱(chēng)破缺

　　這樣看來(lái)，似乎一切都說(shuō)的通了——但前提是實(shí)驗室中測出的對稱(chēng)破缺強度足以造成宇宙中正反物質(zhì)的不平衡。通過(guò)大量的K介子和B介子測量實(shí)驗，我們發(fā)現事實(shí)并非如此。在微觀(guān)世界的某個(gè)地方，可能還存在其他違反CP對稱(chēng)的全新物理過(guò)程和現象?，F在，借助高精度實(shí)驗，科學(xué)家已經(jīng)察覺(jué)到了一些蛛絲馬跡。

　　介子是研究粒子與反粒子不對稱(chēng)性的良好對象，因為介子是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的——可算作是物質(zhì)和反物質(zhì)的混合系統。此外介子不穩定，會(huì )在很短的時(shí)間內衰變。其中的一個(gè)夸克會(huì )轉變成新的夸克。原子核發(fā)生放射性衰變時(shí)，由三個(gè)夸克組成的中子也會(huì )經(jīng)歷類(lèi)似的過(guò)程。為了描述這種衰變過(guò)程，物理學(xué)家借助了所謂的費曼圖。這種圖表最初是為了更簡(jiǎn)潔直觀(guān)地表示計算規則而發(fā)明的。不同夸克的相互轉化是基本作用力弱相互作用的標志性效果。在這一過(guò)程中，通過(guò)帶正電或負電、負責傳遞弱相互作用的W玻色子，帶有2/3正電荷的上夸克、粲夸克和頂夸克可以轉變?yōu)閹в?/3負電荷的下夸克、奇異夸克和底夸克，反之亦然。

　　夸克通過(guò)弱相互作用轉化為另一種夸克，會(huì )導致一些復雜的物理過(guò)程。例如，由奇異夸克和反底夸克組成的Bs介子能轉變成反粒子，在極短時(shí)間內后者又會(huì )變回Bs介子。整個(gè)系統會(huì )在粒子和反粒子之間不斷振蕩。在全世界最大的粒子加速器、歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上，有一個(gè)名為L(cháng)HCb的實(shí)驗裝置在追蹤這類(lèi)特殊過(guò)程。

　　有趣的是，在正反粒子的中間態(tài)里出現了頂夸克，這種夸克的質(zhì)量要比原始Bs介子高很多倍。乍眼看去，這似乎并不可能——產(chǎn)生它們的能量從何而來(lái)？答案來(lái)自于量子力學(xué)，根據海森堡不確定性原理，在極短的時(shí)間內，能量守恒定律可以暫時(shí)被打破。這些粒子處于虛擬的過(guò)渡態(tài)，它們會(huì )顯著(zhù)影響振蕩頻率，因此科學(xué)家可以通過(guò)精確測量振蕩頻率，來(lái)驗證過(guò)渡態(tài)的理論假設是否正確。同樣，科學(xué)家還能從中尋找未知新粒子發(fā)揮作用的跡象，即便那些粒子質(zhì)量極大。

　　到目前為止，把誤差考慮進(jìn)去的話(huà)，理論計算的結果和測量值可以說(shuō)是一致的。不幸的是，即便借助計算機，對振蕩頻率進(jìn)行實(shí)際計算也是困難重重，只能得到近似值。因此，理論計算結果的不確定性現在還遠遠大于測量誤差。

　　量子效應不但能導致粒子在正反狀態(tài)振蕩，也能打破粒子和反粒子的對稱(chēng)。另一種名為B0的B介子特別適合用來(lái)研究此類(lèi)現象，因為據很多理論物理學(xué)家的預測，這一類(lèi)粒子在衰變時(shí)更容易受到對稱(chēng)性破缺的影響。與之前描述過(guò)的粒子反粒子振蕩相似，我們可以通過(guò)介子的衰變來(lái)測量CP破壞，這種介子可以衰變?yōu)橐粋€(gè)帶正電的K介子（由上夸克和反奇異夸克組成）和一個(gè)帶負電的π介子（由下夸克和反上夸克組成）。結果非常明顯：發(fā)生衰變的B0介子數量明顯大于介子的數量，確切地說(shuō)，多了8%。對于更為少見(jiàn)的Bs介子來(lái)講，正反粒子的差異甚至更為明顯，測量顯示，衰變?yōu)镵介子的Bs介子比其反粒子要多出近27%。

　　未知的物理機制

　　通過(guò)大量的B介子衰變，我們已經(jīng)能非常準確地測出CP破壞的強度。LHCb的物理學(xué)家在此前斯坦福大學(xué)BaBar實(shí)驗和日本筑波大學(xué)Belle實(shí)驗的基礎上，設計了一系列精確的測試實(shí)驗。不過(guò)，這次他們?yōu)榇蠖鄶禍y量制定了新的精確度標準。與中性B介子粒子-反粒子振蕩有所不同的是，衰變過(guò)程中觀(guān)測到的很多不對稱(chēng)性可以在理論上精確地計算出來(lái)。因此，測量成為了一種更有效的工具，可在衰變的量子修正中搜尋新粒子。同時(shí)它們也能幫我們找出可能導致粒子和反粒子不對稱(chēng)的新機制。研究人員也希望能從中間接得出答案，解釋我們宇宙的物質(zhì)為何不對稱(chēng)。

　　到目前為止，粒子物理標準模型對基本粒子世界相關(guān)現象的描述是非常成功的。在這一理論中，只有在弱相互作用過(guò)程中才會(huì )出現CP破壞。各種夸克轉變過(guò)程，例如上夸克轉變?yōu)橄驴淇?、上夸克轉變?yōu)榈卓淇?，是緊密關(guān)聯(lián)的——這些轉變的概率存在固定關(guān)系，這種關(guān)系可以用幺正三角形來(lái)表示，其面積表示的就是觀(guān)測到的CP破壞強度。兩位日本理論物理學(xué)家小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）憑借對這些現象的描述獲得了2008年諾貝爾物理學(xué)獎。三角形的角度和邊長(cháng)無(wú)法計算，只能通過(guò)實(shí)驗確定。把三角形的底設為單位長(cháng)度1，測出另外兩個(gè)參數，就能確定整個(gè)三角形。

　　通過(guò)B0介子衰變?yōu)镵介子和J /ψ介子（B0→J/ψ Ks）時(shí)的CP破壞強度測出三角形的β角，再根據B介子振蕩頻率得出側邊長(cháng)，就得到了目前此三角形的最佳測量結果。其他每種夸克轉變也必須能用三角形的參數描述，而三角形的任何不自洽之處，可能都標志著(zhù)某種標準模型之外的粒子或作用力。因此，LHCb的物理學(xué)家正通過(guò)多種不同方法測量三角形參數，找尋可能存在的偏差。

　　通過(guò)幾何計算，可以得出此三角形的另一個(gè)角γ是65度。這一結果的不確定性很低，大概是2%~3%。不過(guò)，與此同時(shí)，這一角度也可以借助B±→D0K±等衰變反應中的CP破壞強度完全獨立地測量出來(lái)。當然，這些過(guò)程非常罕見(jiàn)，因此γ角的測量結果到目前為止都很不準確。LHCb的研究人員通過(guò)記錄大量的B介子，能將誤差降低到大約5度。目前，實(shí)驗測量出的結果是73.5度，雖然比幾何方法計算出的結果要高，但在統計學(xué)上仍然是相符的。下一步要確定的是，隨著(zhù)測量精度的提高，這種差異是會(huì )消失掉，還是會(huì )變得越來(lái)越明顯。

　　到目前為止，標準模型似乎仍能正確描述粒子物理的這一領(lǐng)域。鑒于B介子相關(guān)物理過(guò)程中粒子和反粒子的不對稱(chēng)性測量相對繁瑣，原理也十分復雜，得出這樣的結果雖不算驚人，但也相當可觀(guān)。然而，前面γ角計算那個(gè)例子表明，現在要給出明確的結論還為時(shí)尚早。任何未知粒子給量子效應和CP破壞帶來(lái)的影響都可能非常小，從而隱藏在仍然很大的不確定性背后。盡管物理學(xué)家在重子衰變中沒(méi)有發(fā)現CP破壞的明確證據，但LHCb的研究者首次發(fā)現了與之相關(guān)的線(xiàn)索。

　　所謂的λ重子（即Λb，含有底夸克、上夸克和下夸克）會(huì )衰變成一個(gè)質(zhì)子和三個(gè)帶電荷的π介子。相應的反λ重子則衰變成反質(zhì)子和三個(gè)帶電荷的π介子。這類(lèi)衰變非常罕見(jiàn)，如果不是因為L(cháng)HCb實(shí)驗反應速率快，反應量大，真的很難發(fā)現這種現象。首次測量顯示，λ和反λ重子的衰變之間存在微小差異。然而，由于這類(lèi)測量誤差很大，所以物理學(xué)家寧愿暫時(shí)將他們的觀(guān)察結果稱(chēng)為有力的線(xiàn)索。但是，如果更多的數據證明重子衰變中的確存在CP破壞，那么也許這種現象實(shí)際上也存在于此前的各類(lèi)粒子系統當中。這將為我們打開(kāi)一扇新的大門(mén)，有助于我們更好地了解自然界的基本作用力和粒子。

　　除重子外，目前還有另外一類(lèi)粒子也很難被精確測量：那就是中性D介子。這種粒子的獨特之處在于，它是唯一一種擁有三分之二電荷夸克（即上夸克和粲夸克）的中性介子。雖然中性D介子是在B介子之前被發(fā)現的，但是直到2013年，科學(xué)家才通過(guò)LHCb實(shí)驗明確無(wú)誤地證明它也存在混合，或者說(shuō)振蕩現象，也就是介子和自身的反粒子能相互轉變。之所以很難觀(guān)察到中性D介子的振蕩，是因為它的振蕩頻率過(guò)慢。在經(jīng)歷足夠長(cháng)時(shí)間，得以轉化為反粒子之前，大多數粒子已經(jīng)衰變了。因此，首選需要大量的D介子，只有這樣才能有一些非常長(cháng)壽的粒子最終經(jīng)歷正反粒子的轉化，并讓物理學(xué)家觀(guān)察到。在D介子身上，粒子-反粒子不對稱(chēng)更是難以觀(guān)察到，因為根據理論預言，這個(gè)數值非常小。

　　盡管目前在LHCb上進(jìn)行的對稱(chēng)性測試最高精度能達到0.1‰，但是采集到的數據還遠遠不足以觀(guān)察到預期的不對稱(chēng)性。不過(guò)，由于這種不對稱(chēng)性很小，需要極為精確的測量，所以一些意想不到的效應可能相對來(lái)說(shuō)很強，能夠明顯影響測量結果。因此，我們還是可以期盼有驚喜出現的。

　　在測量結果的不確定性相當大的情況下，新的物理現象有時(shí)會(huì )被掩蓋住，比如說(shuō)，被當成大質(zhì)量的未知粒子帶來(lái)的效應。LHCb的科學(xué)家計劃在2030年前將數據集擴大十倍，同時(shí)還要優(yōu)化探測器以能適應更大的數據傳輸率，這樣就能顯著(zhù)降低測量中的不確定性。LHCb將幫助我們進(jìn)一步理解夸克物理中的粒子-反粒子對稱(chēng)性破缺。如果真的存在未知的新效應，LHCb應該能夠發(fā)現它們。此外，物理學(xué)家也在通過(guò)其他實(shí)驗研究中微子可能存在的CP破壞。也許，早期宇宙中真的還存在一些我們此前未知的粒子或CP破壞機制，因為很明顯，我們目前在介子實(shí)驗中所觀(guān)察到的CP破壞強度，并不足以解釋為何宇宙中物質(zhì)是過(guò)剩的。一定還有一些未知的東西做出了貢獻，而它們一定會(huì )在粒子世界中留下蛛絲馬跡。我們需要做的，就是去找到它們。

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