關於物質-反物質對稱性破缺的發現_風聞

**撰文 |**陳繕真（意大利核物理研究院）

來源：中科院高能所

2019年3月，歐洲核子研究中心（CERN）的物理學家宣佈，他們在粲夸克系統中也找到物質和反物質不完全對稱的證據。“物質和反物質”、“對稱與不對稱”，這究竟是怎麼一回事呢？讓我們從頭説起。

1900年，物理學家開爾文男爵在英國皇家學會上發表演講，他在展望20世紀物理學前景時，敏鋭地指出了當時物理學的兩個最重要的問題，並形象地把這兩個問題比喻為物理學天空上的兩朵烏雲。後來，對於這兩朵“烏雲”的研究，終於釀成了一場顛覆傳統物理學大風暴，並由此分別建立了20世紀物理學領域最偉大的兩個分支：相對論和量子理論。相對論描述了一種全新的時空觀，而描述那些如原子一般非常小的尺度的世界的規律的理論則是量子理論。1928年，年輕的英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）寫下了電子量子理論的方程式，這個方程成功地描述了電子在微觀世界的行為，並不帶矛盾地同時遵守了狹義相對論與量子力學兩者的原理。然而這個方程有一個奇怪的屬性：它有兩個解，其中的一個解對應了電子的運動。而另一個解，則明顯在描述一種帶有負能量的粒子。當時的人們認為，狄拉克方程的第二個解實際上是在描述一種普通的帶有正能量的電子的反粒子，也就是所謂的正電子。

圖1 安德森觀測到的正電子在雲室中留下的軌跡的照片。正電子從下往上運動，在磁場中穿過一層薄薄的鉛板之後，改變了軌跡彎曲的曲率。軌跡彎曲的方向表明，正電子與正常電子所帶的電荷相反

四年之後的1932年，美國物理學家卡爾·安德森（Carl Anderson）在實驗中利用雲室第一次觀測到了正電子的軌跡。也正是此發現，使得人類第一次揭開了反物質的面紗。反粒子是相對於正常的粒子而言的，它們的質量、壽命等都與正常的粒子相同，但是所有的內部相加性量子數，比如電荷等，卻都與正常粒子大小相同、符號相反。除了與正粒子相對的反粒子之外，還有一些所有內部相加性量子數都為0的純中性粒子，這種粒子反粒子就是它本身，比如光子。而自從正電子被發現以後，人類就沒有停下過探索反物質的腳步。與狄拉克和安德森同一個時代，天文學家們正在尋求用另一種方式來理解我們的宇宙。在20世紀20 年代，美國的天文學家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）通過對星空的觀測發現，遠處的星系的光譜出現了波長增加、頻率降低的現象。由於這種現象在可見光波段，表現為光譜的譜線朝紅色的一端移動了一段距離，因而被人們稱之為紅移。光的紅移是由多普勒效應引起的。就像當警車經過時，多普勒效應會導致警車警笛聲改變音高。當警車向觀察者移動時，聲音的波長會被壓縮，但是當警車離開時波長則會被拉長，光的波長也會因與觀察者之間的相對運動而變化。哈勃發現，從地球到達這些遠處的星系的距離正比於這些星系的紅移，由於出現了光的紅移現象，説明宇宙中星系間的距離正在不斷的成比例增大，進而我們可以推斷在遙遠的過去，宇宙中星系間的距離曾經很近。物理學家進一步大膽推測，在其誕生之初，宇宙曾經處於一個極高温度極高密度的狀態，這就是宇宙大爆炸理論的雛形。

根據宇宙大爆炸的理論，我們的宇宙開始於一個密度和温度都無限高，均勻並且各向同性的純能量狀態，這個狀態被稱為奇點。在如今大多數常見的宇宙大爆炸的模型中，早期的宇宙曾經歷了一次暴脹的過程，在這個暴脹的過程中，基本粒子被創造了出來，純能量轉化成了大量高速運動的粒子－反粒子對，而粒子-反粒子對在此期間也通過碰撞不斷地創生和湮滅，因此宇宙中此時的粒子和反粒子的數量相等。這時的宇宙就像是一鍋充滿了夸克和膠子以及其他基本粒子的湯。此時某一種機制導致了夸克和反夸克的數量出現了細微的差異，隨着宇宙進一步的膨脹和冷卻，夸克和膠子逐漸組成了像是質子和中子這樣的粒子。由於此時宇宙的温度已經降低到不足以產生新的質子-反質子對或中子－反中子對，原先產生的正反粒子對大量的湮滅，只有大約佔原先數量十億分之一的正物質質子和中子被留了下來，而對應的反物質粒子則全部湮滅殆盡。電子和正電子稍後經歷了類似的過程，同樣，只有那細微差異下多出來的那部分電子被留了下來。後來的宇宙經過了漫長的演化，合成了原子，誕生了恆星，星系，乃至生命。而這一切的一切，都只不過是那十億分之一殘留的正物質。

圖2 描述宇宙大爆炸及之後演化過程的藝術構想圖。其中橫座標表示宇宙演化的時間，而對應的空間尺寸用相應的圓橫截面表示

然而，究竟是什麼導致了正粒子和反粒子之間最初的那細微的差異？對此，人類從未停止過探索。而這探索，要從人類對於對稱性的探索開始講起。20世紀50年代之前，人類從未懷疑過物理學中“對稱性”這一簡樸而又古老的觀念。向左旋轉的小球和向右旋轉的小球遵循着相同的物理規律，帶有正電荷的物體和帶有負電荷的物體同樣遵循着相同的物理規律，甚至，如果讓時間倒流，運動的物體依然會遵循和我們真實世界相同的物理規律。近代的物理學家則進一步證明了各種對稱性和各種物理守恆定律之間的關係。然而在1956年，為了解釋為何兩種質量和壽命相同，看起來像是同一種的粒子的θ+粒子和τ+粒子（後來被證實其實就是同一種粒子，現在叫做K+介子），卻有着不同的宇稱量子數和不同的衰變產物，李政道和楊振寧提出，在弱相互作用（自然界中的四種基本相互作用力之一）中，微觀的粒子的行為可能不存在宇稱量子數的守恆。宇稱的守恆對應的對稱性是“左”和“右”的對稱，李政道和楊振寧的推測也就是説在微觀世界中，“左”和“右”的物理規律並不完全相等同。這個推測在當時的年代頗具震撼力，打破了被千百年來人類視為金科玉律的觀念。第二年，華裔科學家吳健雄女士等科學家在對鈷60（60Co）衰變的觀測中證實了這項推測，她利用兩套裝置中互為鏡像的鈷60設計了一個實驗，一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向左旋，另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向右旋，結果發現在極低温的情況下兩套裝置中放射出來的電子數有很大差異，進而證實了李政道和楊振寧的假説。同年，李政道和楊振寧因為這一項劃時代的假説，獲得了當年的諾貝爾物理學獎。巧合的是，幾乎同一時期，荷蘭的畫家埃舍爾（M. C. Escher），也在熱衷於用藝術表達對於對稱性的理解。在埃舍爾的作品《白天與黑夜》中，畫面的左右幾乎反色對稱，然而細節卻有微小的差異，這似乎和粒子物理學中“左”“右”的對稱性及其破缺不謀而合。在弱相互作用下的宇稱的對稱性破缺被發現後不久，物理學家發現在弱相互作用下，電荷共軛的對稱性也是破缺的。此時，列夫·朗道（Lev Landau）以及李政道和楊振寧認為，電荷－宇稱(CP)兩個量子數的聯合，應該保持着良好的對稱性。電荷－宇稱對稱性的守恆可以使得粒子和反粒子遵循着相同的物理規律。

圖3 李政道（右）與楊振寧（左）

圖4 吳健雄女士

在20世紀50年代，科學家們在對於K介子等粒子的研究中發現了很多奇異的現象，因而K介子等粒子所帶有的夸克也被命名為“奇異夸克”。在1964年，科學家們在奇異夸克的介子衰變中，發現了另一個更加“奇異”更加難以讓人接受的事實：電荷－宇稱聯合的對稱性似乎也不守恆。在電中性K介子的衰變中，詹姆斯·克羅寧（Jim Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）發現，本應衰變成三個π介子的長壽命K介子，卻有一些衰變成了兩個π介子。這種衰變模式是電荷－宇稱對稱性的守恆所不允許的。克羅寧和菲奇的研究結果給理論界帶來了巨大的衝擊，也為他們帶來了1980年的諾貝爾物理學獎。

圖5 埃舍爾作品《白天與黑夜》，畫面中隱喻的信息和李政道與楊振寧的宇稱不守恆離理論不謀而合

圖6 利用埃舍爾的作品來理解宇稱共軛與電荷共軛。宇稱共軛導致圖像左右翻轉，而電荷共軛則使圖像黑白顛倒，二者共同作用時，圖像與原始圖像類似

為了解釋電荷－宇稱對稱性的破缺，1973年，在意大利物理學家尼古拉·卡比博（Nicola Cabibbo）的研究的基礎上，日本科學家小林誠和益川敏英建立了卡比博－小林－益川矩陣，給出了電荷－宇稱對稱性的破缺存在的必要條件，並在當時只發現了三個夸克的情況下預言了六個夸克的存在。1974年，伯頓·里克特（Burton Richter）和丁肇中的團隊分別同時發現了第四種夸克——粲夸克，並因此獲得了兩年後的諾貝爾物理學獎。之後，底夸克與頂夸克分別於1977年和1995年在加速器中被發現。至此，夸克的六種“味道”被全部發現。六種夸克，以及輕子和相互作用的傳播媒介一起，組成了如今粒子物理學的標準模型。

圖7 粒子物理的標準模型

電荷－宇稱對稱性破缺的發現為解釋宇宙中為何只有正物質殘留了下來這一粒子物理學和宇宙學的核心問題開拓了一條大道。為了更準確的研究這一問題，人類搭建了一些偉大的實驗。從20世紀末開始，位於美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）的BaBar 實驗，和位於日本筑波高能加速器研究機構（KEK）的Belle 實驗成為了研究電荷－宇稱對稱性破缺的主力。這兩個探測器實驗因為研究目標都是與含有底夸克的B介子相關的物理問題，並且運行於有利於B介子產生的能量區間，因而被人們稱之為B介子工廠。BaBar 實驗和Belle實驗在2001年分別發現了B介子的電荷－宇稱對稱性的破缺現象，併為小林誠和益川敏英帶來了2008年的諾貝爾物理學獎。2009年，人類有史以來建設的最大的科學裝置，位於歐洲核子研究中心的，橫跨瑞士法國邊界，周長27千米的大型強子對撞機（LHC）正式開始取數運行。在LHC上，有一個專門研究含有粲夸克和底夸克的粒子以及電荷－宇稱對稱性的破缺的實驗——LHCb 實驗。在過去的10年裏，LHC 以及LHCb 經歷了兩個階段的數據獲取過程，並積累了空前大量的粲介子衰變數據。2019年3月21日，LHCb 實驗合作組宣佈，他們在有着數千萬箇中性粲介子衰變的樣本中找到了粲夸克系統的電荷－宇稱對稱性破缺的證據。至此，標準模型中所有可以觀測到電荷－宇稱對稱性破缺的夸克系統中都觀測到的相應的證據，卡比博－小林－益川機制得到了進一步的證實。

圖8 LHCb實驗探測器

3月21日的發現為利用粲夸克研究電荷－宇稱對稱性破缺打開了一扇門，然而，這只是開始的結束，科學探索永遠是一個進行時，擺在物理學家面前的未知還有很多很多。粲夸克系統電荷－宇稱對稱性破缺的程度是否與標準模型預期相一致？宇宙中正反物質的不對稱是否還有其他根源？電荷－宇稱－時間（CPT）三者的聯合是否才具有完美的對稱性？這一切仍然都是留給物理學家們的待探索的謎題。在LHCb實驗宣佈發現粲夸克系統的電荷－宇稱對稱性破缺的四天之後，2019年3月25日，日本的Belle 實驗經過了將近十年的停機升級調試，終於以一個全新的姿態回到了粒子物理研究數據獲取的第一線。全新的Belle-II 實驗經過了升級，數據獲取能力提升了50倍，並在3月25日完成了升級之後的第一次物理對撞數據的獲取。

圖9 Belle-II實驗探測器的3D截面圖

而LHCb 實驗的探測器則於2018年年底開始了一次為期兩年半的升級過程。新的LHCb探測器將在2021年重新加入與Belle-II 實驗的競爭中來。未來的許多年，LHCb 實驗與Belle-II 實驗將在電荷－宇稱對稱性的破缺的探索道路上繼續砥礪前行，共同探索更多關於反物質的謎題。

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