科学家发现了可以解释万物存在的粒子

欧洲核子研究中心的科学家们有了一个突破性的发现，加深了我们对为什么宇宙是由物质而不是反物质组成的理解。

通过分析来自大型强子对撞机的大量数据，研究人员观察到一种名为“beauty-lambda baryon”的粒子，及其反物质孪生体的行为存在微妙但重要的不对称性。这标志着重子（包括质子和中子的粒子）中CP违反的第一个被证实的案例，为物理学中最大的未解之谜之一提供了新的见解。这一发现暗示，可能存在超出标准模型目前所能解释的力或粒子。

物质-反物质研究的新里程碑

本月早些时候，在意大利拉图伊勒举行的Rencontres de Moriond会议上，来自欧洲核子研究中心（CERN） LHCb合作项目的科学家们宣布，我们对物质和反物质之间微妙但至关重要的差异的理解取得了重大进展。

通过分析来自大型强子对撞机（LHC）的大型数据集，国际团队发现了强有力的证据，证明重子，即构成原子核的质子和中子等粒子，在自然法则中经历了一种镜像破坏行为。这种不对称性被称为CP违背，意味着物质和反物质的行为并不完全相同。这一发现揭示了为什么构成物质的粒子遵循粒子物理学标准模型所描述的模式，以及为什么物质在早期宇宙中似乎胜过了反物质。

根据物理学，大爆炸应该产生等量的物质和反物质。然而，反物质几乎完全消失了，而物质形成了我们今天看到的一切。这种不平衡表明物质和反物质的行为存在微妙的差异 —— 这种不对称被称为CP破坏。了解这种不对称是如何以及为什么产生的，可以解释科学中最基本的问题之一：为什么宇宙包含任何东西，而不是一个空荡荡的空间。

从介子到重子：CP违和研究的演化

CP破坏最早是在20世纪60年代在介子中观察到的，介子是由夸克和反夸克组成的粒子，从那时起，人们就在对撞机和固定目标实验中进行了密切的研究。物理学家长期以来一直怀疑，由三个夸克组成的重子也会表现出CP违反的迹象。然而，到目前为止，在这类粒子中只发现了一些微小的线索。

LHCb发言人Vincenzo Vagnoni解释说：“观察重子的CP破坏比介子的CP破坏要花更长的时间，原因在于效应的大小和可用的数据。”“我们需要一台像大型强子对撞机这样的机器，能够产生足够多的美丽重子和它们的反物质对应物，我们需要在这台机器上进行一个实验，能够确定它们的衰变产物。我们花了超过8万次重子衰变才第一次看到这类粒子的物质-反物质不对称。”

CP违背是如何打破对称性的

已知粒子与它们的反物质伙伴具有相同的质量和相反的电荷。然而，当粒子转变或衰变为其他粒子时，例如当原子核经历放射性衰变时，CP违逆会导致这种镜面对称的裂缝。这种效应可以体现在粒子和反物质衰变为较轻粒子的速率差异上，物理学家可以使用高度复杂的探测器和数据分析技术记录这种差异。

LHCb合作项目观察到质子和中子的更重、寿命更短的表亲 ——beauty-lambda baryonΛb中存在CP违逆，该重子由一个上夸克、一个下夸克和一个美丽夸克组成。首先，他们筛选了LHCb探测器在LHC第一次和第二次运行期间（分别从2009年持续到2013年和从2015年持续到2018年）收集的数据，以寻找Λb粒子衰变为质子、介子和一对相反带电的介子，以及它的反物质对应体 —— 反-Λb的相应衰变。然后，他们计算了观察到的每一种衰变的数量，并计算了两者之间的差异。

量化不对称：与零的显著偏差

分析表明，Λb和反-Λb衰变数之差，除以两者之和，与零相差2.45%，不确定度约为0.47%。从统计学上讲，结果与零相差5.2个标准差，这超过了在重子衰变中观测到CP违背存在所需的阈值。

虽然人们一直期望重子之间存在CP违反，但粒子物理学标准模型的复杂预测还不够精确，无法在理论和LHCb测量之间进行彻底的比较。

令人困惑的是，标准模型预测的CP违逆量太小了许多数量级，不足以解释在宇宙中观测到的物质-反物质不对称。这表明，除了标准模型所预测的之外，还存在新的CP违和源，寻找它是大型强子对撞机物理项目的重要组成部分，并将在未来可能接替它的对撞机上继续进行。

迈向超越标准模型的新物理学

“我们观察到CP违反的系统越多，测量越精确，我们就有越多的机会来测试标准模型，并寻找超越它的物理，”Vagnoni说。“在重子衰变中首次观察到CP破坏，为进一步研究CP破坏的本质铺平了道路，可能为标准模型之外的物理学提供新的约束。”

大型强子对撞机向前迈进了一大步

欧洲核子研究中心研究与计算主任Joachim Mnich说：“我祝贺大型强子对撞机合作取得这一令人兴奋的结果。这再次突显了大型强子对撞器及其实验的科学潜力，为探索宇宙中的物质-反物质不对称性提供了一种新工具。”

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