宇宙中物质为何多于反物质？

水库2019

欧洲核子研究中心(CERN)在D介子中发现了一种微小的效应，为探索物质因何存在提供了一种新方法。

在世界上最强大的粒子加速器大型强子对撞机（LHC）上进行的一项实验发现了物质和反物质在行为方式上的新差异 ——这是物理学家几十年来孜孜以求的发现。



在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室CERN的LHCb实验中，物理学家在D介子的衰变中观测到了研究人员预测过并且符合粒子物理学标准模型的行为。



LHCb实验为物理学家提供了一种探索宇宙物质-反物质失衡的新方法。

图片来源：Maximilien Brice / CERN

这一发现揭示了一种微小的帮助使宇宙中物质多于反物质的机制。反物质是和物质具有相反电荷的镜像粒子 。弄清楚这种不平衡是物理学中最紧迫的谜题之一，因为它可以解释物质因何存在。如果在宇宙早期，物质和反物质等量存在的话，它们就会相互湮灭，而只留下辐射。



粒子物理学家Olya Igonkina说，D介子行为的影响太小，无法完全解释物质占主导地位的原因，但它提供了一种解决问题的新途径。她说这一发现为物理学家提供了一个未曾涉足的领域来寻找相对于标准模型的偏差—— 从而最终可能解释物质与反物质的失衡。Igonkina就职于荷兰阿姆斯特丹的国家亚原子物理研究所，并且参与了CERN的ATLAS实验。



短期而言，这一发现还将有助于理论物理学家更好地理解D介子及类似粒子中这种行为背后的机制—— 它是物理学家能够证实自然“选择”物质而不是反物质的唯一一个实验室例子。



3月21日，LHCb合作组织在意大利拉特乌伊莱的Rencontres de Moriond会议上宣布了这一发现，赢得了一片喝彩。

迷人的发现

物理学家早就知道，粒子之间的某些相互作用会导致物质粒子及其对应的反物质粒子产生行为上的差异。造成物质- 反物质不平衡的这种现象被称为CP破缺。



自20世纪60年代以来，物理学家在K介子和B介子中都发现了CP破缺（每一个K介子和B介子都由两个夸克粒子组成），这些观测促使相关研究成果在1980年和2008年赢得了诺贝尔物理学奖。



但是在此之前，一直没有在包含“粲数”味夸克的粒子，如D介子中看到CP破缺。英国利物浦大学的粒子物理学家、LHCb团队的成员Tara Shears说：“观察到物质和反物质的粲数介子行为不同，足以写入教科书。”



然而，物理学家也知道，物质的主导地位不能仅靠夸克和反夸克的行为来解释，发现新的CP破缺仍然是粒子物理学面临的最大挑战之一。



Shears说，D介子的效应如此之小，以致技术上很难测量。从2011年到2018年，经过这么多年的时间才累积了足够的粒子衰变，使数据集对微小的不平衡敏感。



“这从真正意义上证实了LHCb实验不可思议的精准性和灵敏度，反映了物理学家分析数据的独创性，也证明了LHC提供大规模样本的能力，现在这一切都变得可能了。”Shears说。

原文以Physicists see new difference between matter and antimatter为标题

发布在2019年3月21日《自然》新闻上