大型强子对撞机在探索宇宙反物质失踪之谜中发现线索

科学家在解决现代物理学最大谜团之一的有关反物质的过程中，发现了又一条重要线索：为什么宇宙中物质多于反物质？

这一发现依赖于使用世界上最大的机器——大型强子对撞机（LHC）所做的观测，该装置帮助研究人员探索物质的基本本质。

我们所看到的世界，是由如质子和中子这类亚原子粒子组成的，这些粒子属于“重子”这一类。

此次实验基于位于瑞士的CERN大型粒子加速器，首次观测到重子生成的物质多于反物质。

参与该项目的澳大利亚蒙纳士大学物理学家汤姆·哈达维扎德表示：虽然我们还没有发现新的物理学，但这为我们提供了一种全新的寻找路径。

这项研究成果刚刚发表在《自然》（Nature）期刊上。

失踪的反物质之谜

目前粒子物理的主流理论——标准模型认为，每产生一个物质粒子的同时，也会产生一个对应的反物质粒子。

反物质粒子与物质粒子在质量上相同，但电荷相反。

科学家们在大型强子对撞机中，以高速碰撞大粒子，制造亚原子粒子时，确实观察到几乎相等数量的物质和反物质被生成。

但反物质通常不会存在太久——它一旦遇到物质，就会与之湮灭，并释放出能量。

如果物质和反物质确实是以相同数量产生的，按照标准模型的说法，宇宙早该湮灭殆尽。

但问题在于：宇宙确实存在，并且几乎完全由物质组成，反物质却极其稀少。

这种“物质-反物质不对称”现象，是物理学中的一大未解难题。

物理学家解释这一现象的方法是，在宇宙早期的某个时刻，物质相较反物质获得了微小的优势。在大量反物质和物质互相湮灭后，剩下的那一点点物质，就是我们今天所能看到的宇宙。

关键粒子现身：产生更多物质

澳大利亚墨尔本大学物理学家雷·沃尔卡斯教授表示，标准模型本身对物质-反物质不对称有一定的解释能力。早在上世纪60年代，实验就已发现物质和反物质与其他粒子的相互作用方式存在微妙差异。

这种差异被称为“电荷-宇称对称性破缺”（CP破缺），是解释反物质稀少的可能途径之一。

虽然科学家在一些较小粒子中观察到CP破缺，但在重子中尚未观测到这种现象。而我们日常接触到的绝大多数物质，都是由重子组成的。

此次由来自20个国家、1500多名科学家组成的大型强子对撞机的“美丽”实验（LHCb）合作组，他们分析了实验前几年的大量数据，特别聚焦于一种被称为“美丽重子”

研究人员首次观察到这些重子衰变时呈现不对称性——生成的物质多于反物质。

沃尔卡斯教授认为这是一个“非常有趣的结果”，但他和LHCb团队都认为，这距离彻底解开物质-反物质之谜仍然还有相当距离。标准模型中的CP破缺量，其实还不足以解释宇宙学尺度上的物质-反物质不对称。

这也是科学界面临的伟大谜题之一。

我们要“打破”物理学吗？

物质-反物质不对称只是标准模型的一个问题。

虽然几十年来标准模型经受住了各种测试，但它仍存在巨大的漏洞。

比如，它无法解释引力，也无法说明暗能量——这一被认为导致宇宙加速膨胀的神秘现象。

沃尔卡斯教授称：“我们不希望自己的理论完全错误——事实上，它们表现得太好了，不可能完全错，但我们希望它们是不完整的，这样才能不断补充新内容。”

他表示，LHCb和类似实验正以越来越高的精度检验物质-反物质的不对称现象。

我们试图以越来越精准的方式研究CP破缺效应，看看标准理论是否还能站得住脚，或者是否需要修正或扩展。

尽管此次结果在目前仍符合标准模型，研究者认为这可能指向突破现有理论的新线索。

现在研究团队已经测量了重子中的不对称性，接下来将可更深入地研究这一现象。

这项研究有可能解锁一整套新的粒子，从而导致发现新的物理现象。