“撞”出新成果！探索正反物質(zhì)差異有了靈敏探針

北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的北京譜儀III（BESIII）實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種全新方法，為研究物質(zhì)和反物質(zhì)之間的差異提供了極其靈敏的探針。6月2日，相關(guān)研究成果刊發(fā)于《自然》雜志。

論文所有匿名評(píng)審都對(duì)這一成果大加贊賞：“創(chuàng)新的測(cè)量方法”“很重要”“很新穎”“吸引人”“非常有前景”……到底是什么成果，竟讓匿名評(píng)審們?nèi)绱伺d奮？

正—反科西超子級(jí)聯(lián)衰變演示圖 中科院高能物理所供圖

不好好“組CP”的反物質(zhì)

“正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性”是困擾科學(xué)界半個(gè)多世紀(jì)的問(wèn)題，也是粒子物理學(xué)家一直在尋找的現(xiàn)象。他們常會(huì)提到一個(gè)詞——“CP破壞”。

“CP破壞”里的“CP”，和我們平時(shí)常說(shuō)的“組CP”里的“CP”（情侶檔）并不是一碼事。

130億年前，宇宙在發(fā)生大爆炸之后迅速膨脹、冷卻，大量正反粒子彼此結(jié)合、湮沒(méi)。然而，就像鬧了別扭的情侶一樣，正反粒子在結(jié)合湮沒(méi)的過(guò)程中，行為出現(xiàn)了一些不同。每十億個(gè)正反粒子湮沒(méi)的過(guò)程中，就有一個(gè)正物質(zhì)粒子被留了下來(lái)，并最終組成了當(dāng)今宇宙中所有的物質(zhì)。

科學(xué)家將正粒子和反粒子衰變過(guò)程不一樣的現(xiàn)象，稱(chēng)為“CP破壞”。

“CP破壞”的名字與李政道、楊振寧密切相關(guān)。他們提出并獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“宇稱(chēng)不守恒定律”認(rèn)為，粒子的弱相互作用中存在“鏡像”空間反射不對(duì)稱(chēng)性。

在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家總結(jié)出了“CP破壞”?！癈P破壞現(xiàn)象可以用來(lái)解釋為什么我們的世界中只有正物質(zhì)，沒(méi)有反物質(zhì)?！敝袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士王貽芳告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

宇宙原初反物質(zhì)為何消失？

超子CP破壞有望解謎

自上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外科學(xué)家已經(jīng)相繼在介子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了CP破壞?？墒牵次镔|(zhì)的不對(duì)稱(chēng)性并沒(méi)有因此得到完美解釋。

“在構(gòu)成世界的主要粒子中，介子數(shù)量很少，介子衰變時(shí)多出來(lái)的正物質(zhì)并不足以形成現(xiàn)在的世界?！蓖踬O芳說(shuō)。

與數(shù)量稀少的介子不同，重子是構(gòu)成世界的主要粒子。“如果能在重子中找到CP破壞，我們就能夠更好地理解宇宙原初反物質(zhì)消失之謎?！蓖踬O芳說(shuō)。

遺憾的是，科學(xué)家從未在重子衰變中發(fā)現(xiàn)過(guò)CP破壞，原因在于“弱衰變信號(hào)有時(shí)會(huì)被強(qiáng)相互作用掩蓋”?！八砸肟吹街刈拥腃P破壞，就需要有足夠高靈敏度和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方法，把弱相互作用與強(qiáng)相互作用的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)?！蓖踬O芳說(shuō)。

超子是重子中的一種，類(lèi)似于質(zhì)子，但壽命很短，因此不像質(zhì)子那樣可以存在于我們身邊。在超子中，有一個(gè)名叫“科西超子”的成員，由兩個(gè)奇異夸克和一個(gè)輕夸克組成，當(dāng)奇異夸克發(fā)生弱衰變時(shí)，它便消失了。

超子衰變被科學(xué)家視為“尋找CP破壞的一個(gè)很有希望的狩獵場(chǎng)”，因?yàn)闇y(cè)量CP破壞時(shí)需要的一些信息可以通過(guò)超子的衰變直接測(cè)量。

發(fā)現(xiàn)了高精度測(cè)量方法

從2009年起，BESIII實(shí)驗(yàn)從正負(fù)電子對(duì)撞出的“碎片”中，收集到了約100億J/psi粒子。這種名叫“J/psi”的粒子會(huì)衰變產(chǎn)生正—反科西超子，之后，正—反科西超子還會(huì)繼續(xù)衰變、消失。

BESIII實(shí)驗(yàn)組的科研人員用了100億粒子事例中的13億，分析出了正—反科西超子的誕生過(guò)程，重建出7萬(wàn)多個(gè)正—反科西超子對(duì)。如此一來(lái)，BESIII就成了一個(gè)干凈、小巧的科西超子“工廠”。

“干凈”是因?yàn)楸镜孜廴韭市∮谇Х种凰??！靶　笔且驗(yàn)锽ESIII實(shí)驗(yàn)中，超子產(chǎn)額并不算多。“巧”是因?yàn)锽ESIII實(shí)驗(yàn)的敏感度足夠高。

“我們的超子產(chǎn)額只有美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室一個(gè)叫HyperCP實(shí)驗(yàn)產(chǎn)額的千分之一，但單事例的敏感度是HyperCP單事例的一千倍?！盉ES III實(shí)驗(yàn)發(fā)言人、中科院高能物理研究所研究員李海波說(shuō)。

在分析數(shù)據(jù)時(shí)，BESIII實(shí)驗(yàn)組的科研人員發(fā)現(xiàn)了一種高精度測(cè)量超子CP破壞的方法。

早先，他們發(fā)現(xiàn)，剛衰變出來(lái)的正科西超子和反科西超子之間存在一種特殊的現(xiàn)象——“量子糾纏”。于是，利用這種獨(dú)特的量子糾纏效應(yīng)，再結(jié)合科西超子其他數(shù)據(jù)信息，實(shí)驗(yàn)人員不僅從海量數(shù)據(jù)中同時(shí)找出了正科西超子、反科西超子的衰變信號(hào)，還以前所未有的精度測(cè)量出正—反科西超子的不對(duì)稱(chēng)參數(shù)。

“新方法解決了30年來(lái)不能同時(shí)高效地對(duì)超子和其反粒子測(cè)量的困境，也給出了更豐富的CP破壞測(cè)量結(jié)果?！崩詈２ㄕf(shuō)。

“這一成果已經(jīng)引起國(guó)際同行的關(guān)注，相關(guān)研究人員被2021年國(guó)際輕子光子大會(huì)邀請(qǐng)作大會(huì)專(zhuān)題報(bào)告，成為這一領(lǐng)域的新星?！蓖踬O芳說(shuō)。

暫未發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象，將分析更多數(shù)據(jù)

遺憾的是，BESIII實(shí)驗(yàn)組此次的測(cè)量結(jié)果并沒(méi)有顯示出超子的CP破壞跡象。即便如此，新方法的發(fā)現(xiàn)依然得到了國(guó)際匿名評(píng)審的認(rèn)可。

一位匿名評(píng)審點(diǎn)評(píng)說(shuō)：“即使尚未發(fā)現(xiàn)CP破壞的新跡象，但研究方法上仍然很有趣?！绷硪晃荒涿u(píng)審認(rèn)為：“新方法為將來(lái)的實(shí)驗(yàn)指明了方向，鋪平了道路?！?/p>

“這一創(chuàng)新方法為我們未來(lái)確認(rèn)或排除超出標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞來(lái)源帶來(lái)了希望。”王貽芳說(shuō)。

抱著這樣的希望，實(shí)驗(yàn)組正在向更高的測(cè)量精度發(fā)起挑戰(zhàn)?！拔覀兿Ｍ诓贿h(yuǎn)的將來(lái)，能夠用這種測(cè)量方法發(fā)現(xiàn)超子CP破壞的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。”王貽芳表示，BESIII實(shí)驗(yàn)組正在分析100億粒子衰變數(shù)據(jù)，測(cè)量精度有望再提高3倍左右。

目前，這支由我國(guó)主要開(kāi)展研究的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)面臨著激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。

“歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克探測(cè)器（LHC-b）也正在大量制造超子。不過(guò)，他們的本底污染率比我們高?！崩詈２ǜ嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，BESIII實(shí)驗(yàn)組在測(cè)量上的優(yōu)勢(shì)在于BESIII實(shí)驗(yàn)“完美的探測(cè)器設(shè)計(jì)”。

BESIII是我國(guó)歷史上最早的粒子物理大科學(xué)裝置——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的探測(cè)器。它關(guān)注兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題：夸克如何組成物質(zhì)粒子和宇宙物質(zhì)—反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)的起源。

王貽芳介紹，從2009年至今，BESIII實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)表了400余篇研究成果。該探測(cè)器計(jì)劃運(yùn)行到2030年。

作為我國(guó)自主研發(fā)的大型高能實(shí)驗(yàn)裝置，BESIII實(shí)驗(yàn)吸引了來(lái)自17個(gè)國(guó)家80家科研機(jī)構(gòu)的約500個(gè)科研人員，是目前國(guó)內(nèi)正在運(yùn)行的最大國(guó)際合作組。此次發(fā)表的新成果由中國(guó)科學(xué)家和國(guó)外合作者共同完成。