重子CP破壞取得決定性證據，科學家“拆CP”真把“CP”拆壞了_風聞
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撰文 | 陳繕真
北京時間2025年3月26日0點，歐洲核子研究中心正式發佈了一項研究成果[1]，來自大型強子對撞機底夸克（LHCb）實驗合作組的科學家終於找到了重子CP破壞的實驗證據。此研究結果的文章已發佈在預印本網站arXiv上[2]。
當地時間3月24日晚上，在“Moriond 電弱相互作用與統一理論”會議上，這一研究成果已首次在會議現場公開，在場的科學家都情緒激動，甚至為此發現舉辦了一個小型慶祝活動。
那麼，什麼是CP破壞？這項研究有什麼意義？為什麼這項研究成果會讓科學家們如此激動？中國科學家在此項發現中又發揮了什麼作用？
對稱性的“鏡子”：從“P”到“C”，再到“CP”
當我們凝視一片完美對稱的雪花，或是欣賞蝴蝶炫美的雙翅時，總能感受到自然界暗藏的幾何美感。當我們仰望名樓古剎，或站立在莊重威嚴的宮殿的中軸線上時，也總能感受到歷史先輩對於對稱美的追求。不論是在自然界中，還是在人文社會中，對稱，尤其是“左”和“右”的對稱，似乎總是和“美”有關。
其實，對稱性，不僅僅能帶來視覺的和諧，更是宇宙基本法則的深刻體現。向左旋轉的小球，和向右旋轉的小球，可以有完美對稱的運動軌跡。如果你觀察鏡中的世界，你也不會感覺到鏡中世界的物體運動行為怪異。這就是因為，物理規律，對於“左”和“右”，似乎總是相同的。
這似乎是一條金科玉律，似乎是理所應當的，對於宏觀和微觀的世界，這條規律似乎都應該成立。至少，在1956年以前，科學家們也確實是這麼認為的。
1956年，為了解釋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（後來被證實它們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遵守宇稱量子數的守恆。在微觀世界中，“左”和“右”的對稱被描述為“宇稱（Parity，P）”量子數的守恆。李政道和楊振寧的理論就是説，在微觀的粒子世界中，“左”和“右”的物理規律並不完全相同。
這是一個反直覺的理論，但卻能解釋當時在微觀世界觀測到的現象，因此，這個理論引起了很多實驗物理學家的興趣。然而，物理學畢竟是一門實驗科學，理論對不對，需要實驗來驗證。很快，華裔科學家吳健雄就根據李楊的理論，利用兩套裝置中互為鏡像的鈷60設計了一個實驗（如圖1所示）。其中，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，這一實驗結果證實了微觀世界中的宇稱不守恆。所以，僅僅在理論被提出一年之後，李政道和楊振寧就獲得了諾貝爾物理學獎。這也説明“左”和“右”對稱性的打破有多麼重要的物理意義。
在上個世紀中葉，和“左右”的對稱性類似，另外一種微觀世界的對稱性也引起了科學家們的注意，那就是“正電荷”與“負電荷”之間的對稱性。
自從科學家對原子結構有了初步瞭解之後，一個問題就一直縈繞在科學家的心頭，那就是為什麼原子核總是帶正電荷，核外的電子總是帶負電荷？有沒有一種物質，它原子結構的電荷分佈與我們身邊所有的物質對稱，也就是説，有沒有一種原子核帶負電荷，核外電子帶正電的物質？科學家們把這種假想中的物質叫做“反物質”，組成反物質的粒子就叫做“反粒子”，而將帶正電荷的粒子替換為帶負電荷的粒子的操作，就叫做“電荷共軛（Charge Conjugation，C）”。
1928年，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）在研究氫原子能級分佈時，寫下了狄拉克方程，這個方程可以描述一正、一反兩個粒子的行為，預言了反物質的存在。1932年，美國物理學家卡爾·安德森（Carl David Anderson）在觀測宇宙射線穿過鉛板後在磁場中的雲室裏留下的軌跡的照片時，發現了一種“與電子很像，但是帶正電”的粒子。安德森把這種粒子正式命名為“正電子”，這便是人類第一次發現反物質。
雖然，在自然界中，反物質極其稀有，但是，由於科學家對於物理規律的對稱性的執念如此之深，因此，電荷共軛前後的粒子自然而然地被假設會遵循相同的物理規律。
然而，還是那句話，物理學是一門實驗科學，在假設被實驗嚴謹地驗證之前，只能停留在假設的階段。只有經過實驗證實或證偽的假設，才能推動人類對科學的認知向前邁進一步。
在“左”和“右”的對稱性被打破之後，科學家們對於物理規律的對稱性的探索沒有停息，他們開始思考，是否有凌駕於“左右”對稱性之上的更高等級的對稱性。一些科學家，包括列夫·朗道（Lev Davidovich Landau）以及李政道和楊振寧認為，宇稱不守恆，電荷共軛或許也不守恆，但是，電荷共軛和宇稱（CP）兩個量子數的聯合，應該保持着良好的守恆性。
這一假設，被利昂·萊德曼（Leon Max Lederman）等科學家設計的一個實驗所證實。他們在實驗中觀察了帶電π介子衰變成一個μ子和一箇中微子的過程，在這個過程中π介子的自旋為0，μ子和中微子的自旋均為1/2。這裏，“自旋”是一類描述微觀粒子性質的量子數，在衰變過程前後會遵循特定的守恆規律，並且是可以有方向的，而自旋在粒子動量方向上的投影被稱為“螺旋度”。那麼，就像圖2中表示的那樣，μ子和中微子動量方向總是相反，μ子和中微子的自旋方向也總是相反，因此，我們期望它們各自自旋在動量方向上的投影，也就是螺旋度總是相同的。
對於中微子來説，如果電荷共軛和宇稱都是守恆的，那麼我們就會期望既有左旋的中微子，又有右旋的中微子，既有左旋的反中微子，又有右旋的反中微子。
然而，實驗上的觀測到結果是，只發現了左旋的中微子，以及右旋的反中微子。沒有發現右旋的中微子和左旋的反中微子，所有的中微子都是左撇子！這就同時證明了電荷共軛和宇稱的不守恆。
不過，就像圖2所示的關係中，在同時經歷了電荷共軛和宇稱操作之後，左旋中微子和右旋的反中微子都被觀測到了，也就是在這個實驗中，電荷共軛-宇稱（CP）的聯合對稱性似乎得以保持。
在這裏我想用荷蘭的畫家莫里茨·埃舍爾（Maurits Cornelis Escher）的畫作《白天與黑夜》（如圖3所示）做一下類比。
埃舍爾經常會畫一些超現實的畫作，他會畫一些不可能的空間，但是仔細去觀察這些畫作裏的空間，卻能體會到一些數學上的對稱。
在這幅畫中，左邊的平原河流是白天，右邊是黑夜，但左右又有一種對稱感，我想正好可以用來表達一下空間“左右”與電荷“正負”的聯合對稱性。
以這幅畫做類比，粒子的宇稱共軛，也就是左右翻轉，會使得原畫面中左側的白天變到右邊，右側的黑夜變到左邊，那麼粒子的電荷共軛在這幅畫上對應黑白翻轉，同樣，會使左側從白天變成黑夜，後側從黑夜變成白天。當我們把兩個變換同時進行，既左右翻轉，又黑白翻轉，那麼我們得到的畫面，仍然是左側是白天，右側是黑夜，和原圖類似。如圖4所示。
所以，電荷共軛-宇稱（CP）的聯合對稱性似乎是更高等級的、未被打破的對稱性，這也就是所謂的CP守恆，也就是説，向左旋轉的正物質小球，和向右旋轉的正物質小球在微觀世界不再遵循相同的物理規律，但向左旋轉的正物質小球，和向右旋轉的反物質的小球，似乎依然在遵循相同的物理規律。
但是，真的是這樣嗎？CP的聯合對稱性真的就牢不可破嗎？
在李政道和楊振寧提出弱相互作用下宇稱（P）不守恆的理論後僅僅8年後，CP守恆的假設也被實驗打破了！
打破CP對稱的里程碑：介子中的CP破壞
我們知道，我們身邊的萬物都是原子組成的，原子則是由原子核以及核外的電子組成，原子核裏又包含質子、中子，那麼，質子、中子就是最基本的粒子了嗎？其實還不是，它們都包含了三個夸克。在目前的粒子物理學理論體系中，夸克，是最基本的粒子。
在微觀粒子世界中，像質子、中子這樣由三個夸克組成的粒子叫做“重子”，除此之外，還有一類粒子是由一個正物質夸克和一個反物質夸克組成的，這類粒子被叫做“介子”。由於組成重子、介子的夸克可以有很多種，所以重子、介子也有很多的種類。有一種介子叫做中性K0介子，理論上，它有兩種衰變模式：短壽命的K0S介子會衰變成兩個π介子，而長壽命的K0L介子會衰變成三個π介子。
若CP守恆成立，長壽命的K0L不應衰變為兩個π介子。但詹姆斯·克羅寧（James Watson Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Logsdon Fitch）設計的實驗發現，有0.2%的K0L介子衰變會違背這一預期！這一微小卻確定的現象表明CP的守恆性是被破壞掉的，這一類現象就被稱為“CP破壞”。就像是一對被拆散、不再在一起的“CP（couple）”，在分開後漸行漸遠，漸漸走向不同的道路，CP（Charge-Parity）的破壞，也會讓正物質和反物質以不同的方式演化、衰變。
為了從理論上解釋CP破壞的來源，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（Kobayashi Makoto）和益川敏英（Toshihide Maskawa）建立了卡比博－小林－益川矩陣，即CKM理論，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。之後，底夸克與頂夸克分別於1977年和1995年在粒子加速器中被發現，證實了CKM理論。
那麼，CP破壞的存在合理嗎？宇宙中的正物質和反物質真的會走上不同的演化道路嗎？有沒有其他的證據表明，CP破壞現象存在有必要性？
粒子物理學的研究對象，是所有學科中尺度最小的，是微觀端的極限。但“CP破壞現象的必要性”這一粒子物理學問題，卻從研究對象為“尺度的另一端的極限”——也就是宏觀的宇宙——的宇宙學中找到了證據。
上個世紀20年代，天文學家埃德温·哈勃痴迷於對宇宙星空的觀測。當時的人們已經瞭解，如果利用一些特殊的透鏡將光分解，特定元素髮出的光會留下特定的譜線結構。而哈勃發現，那些距離地球遙遠的星體所發出的光，它們的譜線都會向低頻率，也就是紅色的那一端偏移，這就是紅移效應，並且，哈勃發現。與地球距離越遠的星體，它們的譜線紅移效應越明顯。這種紅移現象，可以用多普勒效應來解釋，這一解釋暗示了我們的宇宙是在不斷地膨脹。
那麼，回溯到宇宙的膨脹開始的那一刻，宇宙究竟發生了什麼？現代的宇宙學的模型假設，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－反粒子對在此期間通過碰撞不斷地創生和湮滅，因此宇宙中此時的正反物質粒子的數量相等。
再往後的宇宙演化，正物質與反物質的粒子數量產生了差異，這也造就瞭如今可觀測宇宙中，正物質佔絕對主導，反物質幾乎不存在的現狀。
那麼，我們的宇宙從大爆炸開始時正反物質相等的狀態，演化成如今正物質主導的狀態，這個過程的發生需要什麼條件？
蘇聯的氫彈之父、物理學家安德烈·薩哈洛夫（Andrei Dmitriyevich Sakharov）提出了上述過程發生的三個條件，分別是，
一，存在一個破壞重子數守恆的過程。
二，存在破壞“電荷共軛變換”不變性和“電荷共軛－空間反演聯合變換”不變性的相互作用。
三，前兩個過程應該發生在偏離熱平衡的狀態。
薩哈洛夫的第一個條件中提到的重子數，就是給每一個正物質的質子或者中子人為定義一個值為正1的量子數，再給每個反物質的質子或者中子定義一個值為負1的重子數，那在宇宙誕生之初，所有粒子的重子數相加，應該為0。但是，現在宇宙中，重子數是個正數。那麼，宇宙演化的過程中肯定發生過重子數的變化，也就是重子數不再守恆，從0變成了正數。
而薩哈洛夫的第二個條件就是CP破壞。正物質和反物質以不同的速率衰變，才能使正物質和反物質中分別不守恆的重子數產生差異。由此可見，CP破壞是宇宙演化到如今的模樣的必然條件。如果沒有CP破壞，就不會有宇宙中的浩渺星辰，也不會有我們。
因此，實驗上尋找CP破壞的證據，在幾十年間，一直是粒子物理學研究的前沿。
然而，實驗上尋找CP破壞的過程並不是一帆風順的。在61年前發現在中性K0介子衰變中的CP破壞現象之後，科學家們在進入新世紀之後才於2001年通過美國的BaBar對撞機實驗和日本的Belle對撞機實驗上發現了另一種介子——中性B0介子衰變中CP破壞現象，2019年，通過歐洲核子研究中心的LHCb對撞機實驗上，科學家們又在中性D0介子衰變中發現了CP破壞現象。這些CP破壞現象都是在介子中發現的，但是，在構成可見宇宙物質主體——重子（如質子、中子）衰變中的CP破壞現象卻從未被找到。
直到最新公佈的發現，打開了被宇宙塵封已久的重子CP破壞盲盒。
打破CP對稱的又一座里程碑：重子中的CP破壞
在25日公佈這這項研究成果中，研究團隊利用在歐洲大型強子對撞機上LHCb實驗探測器在2011-2018年記錄的質子-質子對撞數據，研究了一種叫做Λb0重子的微觀粒子衰變成一個質子、一個K介子和兩個π介子的過程，以及它的反物質對稱過程，測量了兩個過程的衰變速率的不對稱性。Λb0重子是一種比質子重的粒子，它的夸克組成與質子（由uud夸克構成）類似，但其中一個u夸克被替換為b夸克。通過機器學習算法，研究團隊篩選了信號事例，抑制了其他粒子衰變過程的干擾。通過仔細的篩選，研究團隊分別找到了大約4.184萬個和3.885萬個Λb0重子衰變以及它的反物質粒子衰變的信號事例。
然而，信號產額的差異並不能直接反映Λb0重子和它的反物質粒子之間是否有CP破壞，這是因為，大型強子對撞機是一台質子-質子對撞機，是一台完全由正物質構成的對撞機，由正物質產生正反物質的幾率是不相等的，由正物質探測器探測正反物質的效率也是不相等的。在消除掉以上不對稱效應之後，剩下的不對稱效應，才是CP破壞造成的。
最終，在消除掉所有的其他不對稱的來源之後，最終的測量結果是：Λb0重子和它的反物質粒子之間的衰變速率的不對稱性達到了(2.45±0.46±0.10)%，這一結果與零值的偏離達5.2標準差，也就是説，如果在重子衰變中沒有CP破壞，觀測到如此極端結果的概率約為僅有大約千萬分之一，在粒子物理學中，這一統計結果已足以表明，在Λb0重子衰變中存在CP破壞。
重子是構成可見宇宙中物質的主體，因此，今天的研究結果，重子中的CP破壞的發現，是人類對於CP破壞認知的里程碑，將幫助我們進一步認知宇宙的演化的過程。
然而，重子CP破壞研究中還有很多謎團。為什麼重子的CP破壞現象遠比介子的CP破壞現象更難尋找？為什麼目前實驗測量到的全局CP破壞的強度仍比能夠解釋宇宙由正物質主導所需的數值低多個數量級？超出目前粒子物理學理論模型的額外CP破壞來源是否存在？自然界的“不完美”往往比完美更迷人，擺在科學家面前的謎題依然複雜又有吸引力。這些問題的答案等待着LHCb實驗，以及未來的對撞機實驗去發現。
值得一提的是，這項工作的核心研究團隊主要由LHCb實驗合作組的中國研究者構成。本項研究的核心研究團隊包括：北京大學博士研究生楊雪婷、清華大學博士後戴鑫琛、北京大學張豔席助理教授、高原寧院士、楊振偉教授、華中師範大學謝躍紅教授、中國科學院大學錢文斌副教授、中國科學院高能物理研究所陳繕真副研究員，以及法國克萊蒙奧弗涅大學的Stephane Monteil教授。
LHCb實驗是一個被安置在地下100米的粒子對撞機實驗，整個實驗的探測器有21米長，10米高，重達5600噸（如圖8所示）。如此巨大的探測器，就像一台超精細的照相機，只為觀測那些肉眼看不到的微觀粒子。而LHCb實驗的主要科學目標，就像是它的Logo（如圖9所示）所暗示的那樣，是尋找與正物質“鏡像對稱”的反物質中，那微小的不對稱性，也就是CP破壞。
LHCb合作組的中國團隊是合作組中重要的科研力量，在五夸克態研究等奇特強子態研究、強子譜學研究、CP破壞尋找等領域取得過許多重量級的成果，並且領導了LHCb實驗部分子探測器的升級工作，在國際上有重要影響力。
我們可以期待，未來，中國的科學家在拓展人類認知邊界的前沿研究上會做出更多的貢獻。
參考文獻
[1] https://home.cern/news/press-release/physics/new-piece-matter-antimatter-puzzle
[2] https://arxiv.org/abs/2503.16954
本文經授權轉載自微信公眾號“粲美集”，原標題《科學家“拆CP”？這下真把“CP”拆壞了！》。
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