歐洲核子研究中心的科學家們有了一個突破性的發現，加深了我們對為什么宇宙是由物質而不是反物質組成的理解。

通過分析來自大型強子對撞機的大量數據，研究人員觀察到一種名為“beauty-lambda baryon”的粒子，及其反物質孿生體的行為存在微妙但重要的不對稱性。這標志著重子（包括質子和中子的粒子）中CP違反的第一個被證實的案例，為物理學中最大的未解之謎之一提供了新的見解。這一發現暗示，可能存在超出標準模型目前所能解釋的力或粒子。

物質-反物質研究的新里程碑

本月早些時候，在意大利拉圖伊勒舉行的Rencontres de Moriond會議上，來自歐洲核子研究中心（CERN） LHCb合作項目的科學家們宣布，我們對物質和反物質之間微妙但至關重要的差異的理解取得了重大進展。

通過分析來自大型強子對撞機（LHC）的大型數據集，國際團隊發現了強有力的證據，證明重子，即構成原子核的質子和中子等粒子，在自然法則中經歷了一種鏡像破壞行為。這種不對稱性被稱為CP違背，意味著物質和反物質的行為并不完全相同。這一發現揭示了為什么構成物質的粒子遵循粒子物理學標準模型所描述的模式，以及為什么物質在早期宇宙中似乎勝過了反物質。

根據物理學，大爆炸應該產生等量的物質和反物質。然而，反物質幾乎完全消失了，而物質形成了我們今天看到的一切。這種不平衡表明物質和反物質的行為存在微妙的差異 —— 這種不對稱被稱為CP破壞。了解這種不對稱是如何以及為什么產生的，可以解釋科學中最基本的問題之一：為什么宇宙包含任何東西，而不是一個空蕩蕩的空間。

從介子到重子：CP違和研究的演化

CP破壞最早是在20世紀60年代在介子中觀察到的，介子是由夸克和反夸克組成的粒子，從那時起，人們就在對撞機和固定目標實驗中進行了密切的研究。物理學家長期以來一直懷疑，由三個夸克組成的重子也會表現出CP違反的跡象。然而，到目前為止，在這類粒子中只發現了一些微小的線索。

LHCb發言人Vincenzo Vagnoni解釋說：“觀察重子的CP破壞比介子的CP破壞要花更長的時間，原因在于效應的大小和可用的數據。”“我們需要一臺像大型強子對撞機這樣的機器，能夠產生足夠多的美麗重子和它們的反物質對應物，我們需要在這臺機器上進行一個實驗，能夠確定它們的衰變產物。我們花了超過8萬次重子衰變才第一次看到這類粒子的物質-反物質不對稱。”

CP違背是如何打破對稱性的

已知粒子與它們的反物質伙伴具有相同的質量和相反的電荷。然而，當粒子轉變或衰變為其他粒子時，例如當原子核經歷放射性衰變時，CP違逆會導致這種鏡面對稱的裂縫。這種效應可以體現在粒子和反物質衰變為較輕粒子的速率差異上，物理學家可以使用高度復雜的探測器和數據分析技術記錄這種差異。

LHCb合作項目觀察到質子和中子的更重、壽命更短的表親 ——beauty-lambda baryonΛb中存在CP違逆，該重子由一個上夸克、一個下夸克和一個美麗夸克組成。首先，他們篩選了LHCb探測器在LHC第一次和第二次運行期間（分別從2009年持續到2013年和從2015年持續到2018年）收集的數據，以尋找Λb粒子衰變為質子、介子和一對相反帶電的介子，以及它的反物質對應體 —— 反-Λb的相應衰變。然后，他們計算了觀察到的每一種衰變的數量，并計算了兩者之間的差異。

量化不對稱：與零的顯著偏差

分析表明，Λb和反-Λb衰變數之差，除以兩者之和，與零相差2.45%，不確定度約為0.47%。從統計學上講，結果與零相差5.2個標準差，這超過了在重子衰變中觀測到CP違背存在所需的閾值。

雖然人們一直期望重子之間存在CP違反，但粒子物理學標準模型的復雜預測還不夠精確，無法在理論和LHCb測量之間進行徹底的比較。

令人困惑的是，標準模型預測的CP違逆量太小了許多數量級，不足以解釋在宇宙中觀測到的物質-反物質不對稱。這表明，除了標準模型所預測的之外，還存在新的CP違和源，尋找它是大型強子對撞機物理項目的重要組成部分，并將在未來可能接替它的對撞機上繼續進行。

邁向超越標準模型的新物理學

“我們觀察到CP違反的系統越多，測量越精確，我們就有越多的機會來測試標準模型，并尋找超越它的物理，”Vagnoni說。“在重子衰變中首次觀察到CP破壞，為進一步研究CP破壞的本質鋪平了道路，可能為標準模型之外的物理學提供新的約束。”

大型強子對撞機向前邁進了一大步

歐洲核子研究中心研究與計算主任Joachim Mnich說：“我祝賀大型強子對撞機合作取得這一令人興奮的結果。這再次突顯了大型強子對撞器及其實驗的科學潛力，為探索宇宙中的物質-反物質不對稱性提供了一種新工具。”

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