新发现！粒子物理学迎来新的里程碑！

1. 最深刻的谜题

为什么我们会存在？这个问题是现代物理学中最深奥的谜题之一。但现在，我们离找到答案又更近了一步。

为了理解究竟发生了什么，让我们回到宇宙诞生之初。138亿年前，在大爆炸之后，宇宙中产生了等量的物质和反物质。从最小的尘埃到巨大的恒星，宇宙中的每一个结构都是由物质构成的。但是，反物质也同样能完成这项工作。除了拥有相反的电荷之外，它们的性质几乎与物质一样。物质和反物质无法在同一个物理空间中共存，因为如果它们相遇，就会相互湮灭，以光子的形式释放出能量。

○ 物质与反物质相遇会湮灭。| 图片来源：RealLifeLore/YouTube

但是，为什么我们所看到的宇宙完全是由物质构成的？如果曾经有等量的反物质产生，宇宙中的一切都应该湮灭，也就意味着不会有星系、恒星、行星、你、我的存在。为了解释为什么物质在那场终极湮灭大战中获得胜利，物理学家一直在寻找物质和反物质在行为上的微小差异。

3月21日，欧洲核子研究中心（CERN）的LHCb合作者在意大利的Rencontres de Moriond会议上公布了他们的最新发现：他们找到了解释物质-反物质不对称性的新来源。或者更精确地说，他们观测到了粲粒子（包含粲夸克的粒子）衰变中的电荷-宇称破坏（即CP破坏）。这个新的结果注定将被写进物理学的教科书。

2. 物质与反物质

1898年，舒斯特（Arthur Schuster）发表在《自然》的两篇文章中首次提出了反物质的概念。1928年，狄拉克（Paul Dirac）为反物质写下了坚实的理论基础。1932年，安德森（Carl Anderson）第一次在实验中发现正电子（电子的反物质）。

虽然反物质听起来似乎非常罕见，但事实上我们日常食用的香蕉（富含钾）中平均每75分钟就会释放出一个正电子。然后它们会与物质电子湮灭释放出光。

我们看到的所有物质都是由被称为夸克和轻子的基本粒子组成的。夸克有六种：上、下、奇、粲、底、顶。同样地，轻子也有六种：电子、μ子、τ子和三种中微子。这12种粒子都有其相应的反物质粒子，它们的唯一区别就是拥有相反的电荷。

○ 标准模型中的基本粒子。

理论上，反物质粒子应该是它们的物质伙伴的完美镜像。但实验表明，情况并非总是如此。以一种被称为介子的粒子为例，它是由一个夸克和一个反夸克组成的。中性介子具有一个迷人的特性：它们可以自发的转变成它们的反介子，反之亦然。在这个过程中，夸克会转变成反夸克，反夸克也会转变为夸克。但实验表明，随着时间的推移，这种情况会更多地朝一个方向发展——产生的物质要多于反物质。

3. 自然并不总是对称的

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（即CP破坏）。这些都是非常重要的发现。

1964年，克罗宁（James Cronin）和菲奇（Val Fitch）第一次在中性K介子（包含了一个奇夸克）上观测到这种效应，这使得理论学家能够预测出六种夸克的存在——而那时已知存在的夸克只有三种。这在当时是非常令人震惊的发现，因为物理学界是如此肯定CP对称性是不会被破坏的。

1970年代出，在卡比博（Nicola Cabibbo）和其他人的工作之上，小林诚（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）意识到CP破坏可以自然地被囊括在粒子物理学的标准模型的理论框架中。他们的想法最终在2001年得到了证实，当时BaBar和Belle合作组在中性B介子（包含了一个底夸克）衰变中也观测到了CP破坏。

这两项发现分别获得了1980年和2008年的诺贝尔物理学奖。

○ 这些发现从根本上改变了我们对自然的理解。

4. 里程碑的新发现

奇夸克和底夸克都带有负电荷（电荷均为-1/3）。理论上，粲夸克（电荷为+2/3）是唯一一个能形成具有物质-反物质不对称性的粒子的带正电荷的夸克。如果的确如此，那么这个效应也应该非常小，而且很难被探测到。

现在，LHCb实验第一次成功地在一种被称为D⁰介子（由一个粲夸克和一个反上夸克组成）的粒子中观测到了这种不对称性。为了观测这种不对称性，LHCb的研究人员使用了大型强子对撞机（LHC）在2011年至2018年间提供给LHCb实验的完整数据集（这些数据积累了足够的粒子衰变事件）。他们的目标是寻找D⁰介子及其反粒子（反D⁰）衰变成K介子和π介子的衰变率差别。这项研究结果的精确度达到了5.3标准偏差的统计显著性，要知道，在粒子物理学中，结果具有5个标准偏差就可以宣称是一个新发现了。这意味着我们很快就会在新的物理教科书上看到这一发现。

○ CP对称变换会将一个粒子与其反粒子的镜像互换。LHCb观测到，在D⁰介子（图右边的大球体）和它的反物质对应物反D⁰介子（图左边的大球体）衰变为其他粒子时，这种对称性会遭到破坏。破坏的程度是根据每种情况下衰变数量的不同而推断出来的。| 图片来源：CERN

如果这种不对称性与导致奇夸克和底夸克不对称性的机制不同，那么就为物质-反物质不对称性留出了空间，这可以增加早期宇宙中不对称性的总量。这很重要，因为少数已知的不对称案例无法解释为什么宇宙包含这么多物质。当然，单凭粲的发现还不足以填补这个空白，但这是理解基本粒子相互作用的一块重要拼图。

之后，理论物理学家需要更努力地去解释此次的发现，他们需要弄清楚标准模型是否可以解释这一结果。

虽然我们仍然不能完全解开物质-反物质不对称性之谜，但最新的发现或许打开了一扇通往未知现象的大门。相信终有一天，我们会揭开为什么我们得以存在的谜底。

参考来源：

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

http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#CPVcharm

https://theconversation.com/cern-study-sheds-light-on-one-of-physics-biggest-mysteries-why-theres-more-matter-than-antimatter-113947

https://indico.cern.ch/event/807176/attachments/1813407/2967809/CharmCPV_seminar.pdf