粒子物理学新里程碑！这项发现或揭开万物存在之谜

我们为什么存在？这个问题是现代物理学中最深奥的难题之一。现在，我们离找到答案又近了一步。欧洲粒子物理研究所刚刚公布的最新发现可能为我们提供一个新的物质来源——宇宙中的反物质不对称。

为了理解发生了什么，让我们回到宇宙的开始。138亿年前，在大爆炸之后，宇宙产生了等量的物质和反物质。从最小的尘埃到巨大的恒星，宇宙中的每个结构都是由物质构成的。然而，反物质也可以完成这项任务。除了具有相反的电荷外，它们的性质几乎与物质的性质相同。物质和反物质不能共存于同一个物理空间，因为如果它们相遇，它们会相互湮灭，以光子的形式释放能量。

物质和反物质相遇时会湮灭。|照片来源:RealLifeLore/YouTube

然而，为什么我们看到的宇宙完全由物质组成？如果反物质以同样的数量产生，宇宙中的一切都应该被消灭，这意味着没有星系，恒星，行星，你和我。为了解释为什么物质赢得了最终的湮灭战争，物理学家们一直在寻找物质和反物质在行为上的细微差别。

3月21日，欧洲核研究中心(CERN)的LHCb合作伙伴在意大利举行的会议上宣布了他们的最新发现:他们发现了一个解释物质和反物质不对称的新来源。或者更准确地说，他们观察到了魔法粒子(包含魔法夸克的粒子)衰变中的电荷宇称破坏(CP破坏)。这个新结果肯定会写进物理教科书。

物质和反物质

1898年，阿瑟·舒斯特在《自然》杂志上发表的两篇文章中首次提出了反物质的概念。1928年，保罗·狄拉克为反物质写下了坚实的理论基础。1932年，卡尔·安德森在实验中首次发现了正电子(电子的反物质)。

虽然反物质听起来很罕见，但事实上，我们每天吃的香蕉(富含钾)平均每75分钟释放一个正电子。然后它们和物质电子一起湮灭释放光。

我们看到的所有物质都是由称为夸克和轻子的基本粒子组成的。有六种夸克:上夸克、下夸克、奇异夸克、迷津夸克、底部夸克和顶部夸克。同样，有六个轻子:电子、μ子、τ和三个中微子。这12种粒子都有反物质粒子。他们之间唯一的区别是他们有相反的电荷。

标准模型中的基本粒子

理论上，反物质粒子应该是它们物质伙伴的完美镜像。但是实验表明情况并非总是如此。以一个叫做介子的粒子为例，它由一个夸克和一个反夸克组成。中性介子有一个迷人的特性:它们可以自发地转变成反介子，反之亦然。在这个过程中，夸克将被转化为反夸克，反夸克也将被转化为夸克。然而，实验表明，随着时间的推移，这种情况会向一个方向发展，产生的物质比反物质多。

大自然并不总是对称的

在含有夸克的粒子中，只有那些含有奇怪夸克和底部夸克的粒子才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，詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇第一次在中性介子(包括一个奇夸克)上观察到这种效应，这使得理论家们能够预测六种夸克的存在——而当时已知只有三种夸克存在。这在当时是一个非常令人震惊的发现，因为物理学界如此确信CP对称性不会被打破。

在20世纪70年代早期，基于尼古拉斯·卡比博和其他人的工作，肖林成和康弘意识到CP破坏可以自然地包含在粒子物理标准模型的理论框架中。他们的想法最终在2001年得到证实，当时巴巴尔和贝尔的团队还观察到中性B介子(包括底部夸克)衰变中的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。

里程碑的新发现

奇怪的夸克和底部夸克都带负电荷(两种电荷都是-1/3)。理论上，迷思夸克(电荷+2/3)是唯一能形成物质-反物质不对称粒子的带正电夸克。如果是这样的话，那么影响也应该非常小并且难以检测。

现在，LHCb实验第一次在一个叫D？这种不对称性在介子粒子(由一个魅力夸克和一个反夸克组成)中观察到。为了观察这种不对称性，大型强子对撞机(LHC)的研究人员利用大型强子对撞机提供的完整数据集对2011年至2018年期间的大型强子对撞机进行了实验(这些数据积累了足够的粒子衰变事件)。他们的目标是找到D？介子及其反粒子(反粒子d？)衰变成k介子和π介子的衰变率差。本研究结果的准确度达到了5.3标准差的统计显著性。应该注意的是，在粒子物理学中，一个有5个标准偏差的结果可以被称为新发现。这意味着我们将很快在新的物理教科书中看到这一发现。

CP对称变换将交换粒子及其反粒子的镜像。LHCb观察到d？介子(图右侧的大球体)和它的反物质对应物D？当介子(图中左边的大球体)衰变为其他粒子时，这种对称性就被打破了。|图片来源:欧洲核子研究中心

如果这种不对称不同于导致奇怪夸克和底部夸克不对称的机制，那么物质-反物质不对称的空间就存在，这会增加早期宇宙中不对称的总量。这很重要，因为一些已知的不对称情况无法解释为什么宇宙包含如此多的物质。当然，仅仅发现魅力不足以填补这一空白，但理解基本粒子的相互作用是一个重要的难题。

后来，理论物理学家需要更加努力地解释这一发现。他们需要找出标准模型是否能解释这个结果。

尽管我们仍然不能完全解开物质和反物质之间不对称的谜团，但最新的发现可能会为未知现象打开一扇门。我相信有一天，我们会揭开我们存在的神秘。

参考来源:

https://home . CERN/news/press-release/physics/lhcb-sees-new-specified-matter-不对称性

http://lhcb-public . web . CERN . ch/lhcb-public/Welcome . html # CPVCharm

https://theconversation . com/CERN-study-shews-light-on-one-of-physics-maximum-奥秘-why-there-there-that-matter-113947

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