人类首次证实重子CP破缺！距解决宇宙正反物质不对称之谜更近一步

有关今年3月人类首次在重子衰变过程中观测到CP对称性破缺这一重大发现，在今年7月被正式发表在著名科学期刊《自然》上。该发现由欧洲核子研究中心的大型强子对撞机底夸克实验合作组的科学家们获得，这是人类首次确凿地观测到重子CP对称性破缺现象。

科学家们利用能够精确追踪重子衰变过程的探测器，对大量的重子衰变过程进行了细致的研究。通过分析大量的质子-质子对撞数据，研究团队锁定了一种叫做Λb0重子的粒子。这种粒子的夸克组成与质子类似，但其中一个上夸克被替换为底夸克。科学家观察了Λb0重子衰变成一个质子、一个K介子和两个π介子的过程，以及其反物质的衰变过程。最终确认，Λb0重子和它的反物质粒子之间的衰变速率存在非常显著的差异，不对称性达2.45%。

虽然很早便有关于重子CP破缺的理论预测，但此前人类仅在介子衰变过程中观测到该现象，从未在重子中观测到，此次发现成功填补了相关领域的空白。

CP对称性是指电荷共轭C和宇称P的联合变换不变性。简单来说，电荷共轭变换就是将粒子替换为其反粒子，比如将电子变为正电子；宇称变换则像是照镜子，把一个粒子的空间坐标进行镜像反转。CP对称性认为，在经过这两种变换之后，物理规律应该保持不变。也就是说，一个由正物质组成的系统和一个由反物质组成的“镜像”系统，它们的物理行为应该是完全相同的。

但在1964年，科学家们在含奇夸克的K介子衰变中首次发现了CP对称性破缺现象。这一发现当时震惊了科学界，它表明CP对称性并不是绝对成立的，正物质和反物质在某些情况下的行为确实存在差异。此后，CP破缺现象又相继在含底夸克的B介子、含粲夸克的D介子中被观测到。

介子和重子均是由夸克构成的复合粒子。与由一对正反夸克组成的介子相比，由三个夸克或者三个反夸克组成的重子，其结构更为复杂，且重子衰变过程涉及多个强相互作用和弱相互作用的耦合，所以对重子衰变过程的理论预测和实验观测比介子更加困难，这导致科学家在过去几十年内一直未能获得重子CP对称性破缺现象的确凿证据。直到今年，这一理论预测才终于得到的确凿实验观测数据验证。

人类所熟悉的这个世界由原子构成，而构成原子核的质子和中子均是重子，这一发现的重要性不言而喻，意味着人类在粒子物理学领域又迈出了重要一步，这有助于人类更好地理解宇宙正反物质不对称之谜。

科学界的主流观点认为，我们的宇宙诞生于一次大爆炸。按照常理，在138亿年前宇宙诞生之初，物质与反物质应该是等量存在的。但问题是正物质与反物质一旦相遇，就会发生湮灭，转化为能量。如果宇宙一直这样运行下去，那最终宇宙将只剩下能量，而不会有任何物质留存，更不会有后来的恒星、行星，乃至生命的诞生。然而，我们如今所处的宇宙却是一个几乎完全由正物质主导的世界。从我们脚下的地球，到夜空中闪烁的繁星，都是由正物质构成的。反物质仿佛只是宇宙中的“稀客”，极为罕见。

也许正是在宇宙诞生后的极早期，重子CP对称性破缺使得正物质和反物质的衰变速率出现了微小的差异。随着时间的推移，这种微小的差异被不断放大，最终导致了正物质在宇宙中占据了主导地位。从这种意义上来讲，正是不对称创造了这个世界！

根据苏联物理学家安德烈·萨哈罗夫1967年提出的理论，宇宙物质主导地位的形成必须满足三个条件，分别是重子数不守恒、CP对称性破缺和偏离热平衡。

其中，CP对称性破缺已经在诸多实验中得到验证。偏离热平衡使得微小不对称得以放大，广义相对论和量子场论均从理论上支持这一条件，认为随着宇宙的膨胀和冷却，必然会趋向于非平衡态；宇宙微波背景辐射的微小各向异性也表明，宇宙在早期并非处于完全的热平衡状态。重子数不守恒，即宇宙早期必须存在某种机制，使得产生重子与反重子的过程不完全对称，这能为正物质主导宇宙奠定基础，但目前尚未有直接的实验证据能证明这一点。

虽然宇宙正反物质不对称之谜并没有得到完全解决，但重子CP破缺的成功验证已经让人类离解开谜题更近一步。此外，这类研究可能为探索标准模型之外的物理学提供了可能。