大型强子对撞机揭示反物质新谜团：为何宇宙没有成为虚无
LHCb首次在重子中发现物质与反物质衰变差异，或为宇宙存在之谜揭开新线索。
物质与反物质，就像镜像中的彼此——几乎完全相同，只在电荷上相反。然而，在极少数情况下，它们的行为会出现微妙差异，每当这种时刻被捕捉，物理学家都会格外兴奋。现在，世界上最大的粒子对撞机传来新发现：一种由三颗夸克组成的重子粒子，在衰变速率上和它的反物质版本出现了差异。这一突破，或许能把我们带向宇宙最深的谜题——为什么会有“存在”，而不是一片“虚无”。
环绕在我们周围的一切——恒星、行星、人类，乃至万物——都由物质构成，没有任何反物质的影子。但理论并非如此。按照最好的推算，宇宙诞生之初，物质和反物质应该是等量的，它们相遇就会湮灭，化作纯粹的能量。可某种未知的偏差让物质多留了一点点，足够构建出我们熟悉的世界。为什么？没人能确切回答。
因此，物理学家一直在寻找物质与反物质的蛛丝马迹，尤其是所谓的“电荷-宇称对称性破坏”，简称CP破坏。它是一种微小但关键的行为差异，或许能解释宇宙早期为何物质幸存下来。
这一次，来自大型强子对撞机(LHC)的LHCb实验团队在《自然》期刊发表论文，宣布他们首次在重子粒子中测量到CP破坏。重子是构成原子核的质子和中子所属的粒子家族，由三颗更小的夸克拼成。此前，人类只在介子中观测到这种效应——那是一种由夸克和反夸克成对组成的粒子，发现时间可以追溯到1964年。而在最新实验里，科学家看到一种由上夸克、下夸克和一种更罕见的“美夸克”组成的重子，衰变频率高于它的反物质对应物。
“这是CP破坏研究的重要里程碑。”来自北京大学、参与分析的LHCb团队成员杨雪婷说，“重子是日常世界的基石，它们的CP破坏首次被观察到，为我们寻找全新物理学打开了一扇窗。”
LHCb是地球上唯一能造出含美夸克重子的机器，它通过让质子以接近光速的速度相撞，每秒进行两亿次碰撞，把巨大的能量释放成各种新粒子。
“这是一次令人惊叹的测量。”理论物理学家Edward Witten(普林斯顿高等研究院)评价说，他并未参与研究，“带有美夸克的重子极难产生，而CP破坏又极其微妙，要研究它非常棘手。”
LHCb实验体量惊人，长达21米、重达6000吨，能追踪每一次碰撞后产生的所有粒子，以及它们衰变成更小粒子的路径。正如LHCb发言人、论文作者Vincenzo Vagnoni所说：“探测器就像一台巨大的四维相机，完整记录每一粒子经过的轨迹。有了这些信息，我们就能精确还原最初碰撞发生了什么，诞生了什么，又如何衰变。”
不过，这次观测到的物质-反物质差异非常微弱，依然符合粒子物理的标准模型预言。遗憾的是，这点微不足道的CP破坏还远不足以解释宇宙为何没有在初生之际被彻底湮灭。
“这个结果本身很重要，但并不让我意外。”英国达勒姆大学理论物理学家Jessica Turner说，她同样未参与研究，“这次的CP破坏和此前在夸克领域观测到的很一致，但我们已经知道，这样的程度根本不足以产生我们今天看到的重子不对称。”
要真正揭开宇宙早期为何物质胜出的谜底，科学家必须找到更多物质与反物质的分歧，最可能的线索来自尚未被发现的粒子。Vagnoni说：“在宇宙初期，应该存在一种全新的粒子，它们能表现出更强烈的差异。我们在寻找任何偏离标准模型的细节，只要发现裂缝，就能知道哪里出了问题。”
随着LHCb继续运行，研究者希望找到更多线索。未来的数据量预计将比这次分析多30倍，届时科学家或许能在更罕见的粒子衰变里寻找CP破坏。也许在不久的将来，我们能离答案更近一步，知道为何“万物”并没有化作“一无所有”。
