教科书级成果：发现重子CP破缺｜基础科学的中国印记

北京时间2025年3月26日凌晨，LHCb实验合作组宣布了一项里程碑式的突破：重子衰变中CP对称性破缺的发现[1]。这一成果为人类理解为何宇宙由物质主导提供了关键线索。值得注意的是，这项研究由中国科学家主导完成。

重子CP破缺

CP violation in baryon decay

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对称破缺创造世界

如果说对称体现了世界之美，那么对称破缺则更多体现世界之真。

对称性使得物理规律展现出惊人的简单性，物理学家也因此对其倍加推崇。然而，世界并不因为人类的偏好而改变。正如居里先生所言，不对称创造了世界，而前苏联物理学家萨哈洛夫用以解释为何当今宇宙由物质主导的理论[2]让这一观点具象化。

根据大爆炸宇宙学理论，宇宙诞生时物质与反物质是等量产生的。然而，我们今天所见的宇宙却几乎完全由物质构成，反物质几乎消失殆尽。这种现象表明，在宇宙的早期历史中，物质与反物质之间发生了一场激烈的“战争”，最终导致了反物质的近乎完全消失，而物质则以极其微小的比例幸存下来。

前苏联物理学家萨哈洛夫总结出这场战役的关键线索，即著名的“萨哈洛夫条件” [2]：

1. 重子数破缺；

2. C和CP对称性破缺；

3. 热力学非平衡条件。

其中，CP对称性破缺揭示正物质与反物质演化规律的不同，是理解宇宙物质与反物质不对称现象的关键。

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CP破缺求索之路

图1. C、P以及CP变换（左）；CP破缺（右）

CP对称性是自然界基本对称性的一种，是电荷共轭（C）和宇称（P）的联合变换不变性。

1956年，李政道和杨振宁提出，弱相互作用中可能存在P对称性的破缺[3]，这一理论很快得到了吴健雄的实验验证[4]。它揭示了正物质世界具有“左撇子”特性，而反物质世界则具有“右撇子”特性。因此，CP变换实际上是“左撇子”正物质和“右撇子”反物质之间的互换。

1964年，科学家们首次在含奇异夸克的K介子系统中发现了CP破缺的现象[5]。CP破缺现象在粒子物理标准模型中由“小林-益川机制”[6]解释，它表明CP破缺存在于夸克物质（包括介子和重子）弱作用过程之中。然而，尽管CP破缺后来相继在含底夸克的B介子[7]、含粲夸克的D介子[8]中被观测到，但在重子系统中却始终未有发现。

重子是由三个夸克组成的粒子，如质子和中子，是构成宇宙中可见物质的基础。因此，实验寻找重子CP破缺是理解早期宇宙中反物质消失之谜的关键。

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重子CP破缺发现

图2. π π 过程的费曼图以及实验探测示意图，源自[1]

LHCb是欧洲大型强子对撞机LHC上的四个主要探测器之一，专门用于研究含有重味夸克的粒子（如粲夸克和底夸克）以及CP破缺现象。

在本次研究中[1]，科学家们利用LHCb探测器观察了约4万事例的重子 的弱衰变过程 π π ，如图2所示，以及相对应的CP共轭过程 π π 。如果CP对称性严格成立，这两个反应过程的发生概率应严格相等。然而，如图3所示，实验结果显示，它们之间的相对差异为：

达到了5.2σ的置信水平，这意味着结果的可信度超过99.9999%。

图3. π π 及其反过程信号对比，源自[1]

这是人类历史上首次发现重子系统中的CP破缺现象。这一发现填补了粒子物理学中的一项重要空白，为理解宇宙中物质的主导地位提供了关键线索。

另外，值得一提的是，LHCb论文[1]中提到，实验结果与理论预言一致，该理论预言由兰州大学于福升教授和他的博士生汪建鹏计算得到[9]。

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基础科学文明的中国印记

在这一重大发现的实现过程中，中国科学家发挥了至关重要的作用。LHCb中国组主导了本次发现，论文的投稿者是北京大学物理学院的博士生杨雪婷同学，她正师从高原宁院士团队的张艳席研究员攻读博士学位。

这并非LHCb中国组首次取得突破性成果。自加入LHCb实验以来，中国科学家团队屡获佳绩：2015年，他们发现了首个五夸克态[10]；2017年，又发现了首个双粲重子[11]。而此次在重子CP破缺这一核心领域取得的重大突破，标志着中国科学家在粒子物理学研究的主战场达到世界领先水平。

这一发现不仅将被载入教科书，更将在科学史上留下浓墨重彩的中国印记。它不仅为人类探索宇宙奥秘作出了重要贡献，也展现了中国科学家的卓越能力。

作者介绍：

秦溱，华中科技大学物理学院副教授，博士生导师，基础理论物理研究所副所长。研究领域为重味物理与CP破缺。

参考文献:

[1] R. Aaij et al. [LHCb], Observation of charge-parity symmetry breaking in baryon decays, [arXiv:2503.16954 [hep-ex]].

[2] A. D. Sakharov, Violation of CP Invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe, Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 5, 32-35 (1967).

[3] T. D. Lee and C. N. Yang, Question of Parity Conservation in Weak Interactions, Phys. Rev. 104, 254-258 (1956).

[4] C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes and R. P. Hudson, Experimental Test of Parity Conservation in Decay, Phys. Rev. 105, 1413-1414 (1957).

[5] J. H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch and R. Turlay, Evidence for the Decay of the Meson, Phys. Rev. Lett. 13, 138-140 (1964).

[6] M. Kobayashi and T. Maskawa, CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction, Prog. Theor. Phys. 49, 652-657 (1973).

[7] B. Aubert et al. [BaBar], Observation of CP violation in the meson system, Phys. Rev. Lett. 87, 091801 (2001); K. Abe et al. [Belle], Observation of large CP violation in the neutral B meson system, Phys. Rev. Lett. 87, 091802 (2001).

[8] R. Aaij et al. [LHCb], Observation of CP Violation in Charm Decays, Phys. Rev. Lett. 122, 211803 (2019).

[9] J. P. Wang and F. S. Yu, CP violation of baryon decays with Nπ rescatterings, Chin. Phys. C48, 101002 (2024).

[10] R.~Aaij et al. [LHCb], Observation of Resonances Consistent with Pentaquark States in Decays, Phys. Rev. Lett. 115, 072001 (2015).

[11] R.~Aaij et al. [LHCb], Observation of the doubly charmed baryon , Phys. Rev. Lett. 119, 112001 (2017).

主编：张 闯

责编：乔从丰

审核：李海波

编辑：花 明

本文转载自《现代物理知识杂志》微信公众号

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