为什么我们看不到反物质？粲夸克的不对称性

北京时间3月25日消息，据国外媒体报道，美国雪城大学艺术与科学学院的物理学家证实，含有粲夸克（charm quark）的物质和反物质基本粒子在衰变上存在不同。 

▲CP对称转化是将一个带电荷粒子转化为其镜像的反粒子。大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）已经在D0介子（图中右侧的圆球）衰变为其他小型粒子（较小的圆球）中观察到这种对称性的破坏，以及反D0介子（左侧的圆球）。这种对称性的破坏是通过每次试验中衰变数量的变化（右下方柱体，仅供说明）推导出来的。

该学院杰出教授谢尔顿·斯通（Sheldon Stone）表示，这些研究结果都是首次发现。不过，此前已经有研究在含有奇夸克（strange quark）或底夸克（bottom quark，又称美夸克）的基本粒子中观察到物质—反物质的不对称性。

谢尔顿·斯通与该学院高能物理研究小组的成员首次测量发现，D0介子和反D0介子衰变为更稳定副产物的方式存在差异，测量的确定性达到了99.999%。

介子是一类亚原子粒子，由1个夸克和1个反夸克构成，二者通过强相互作用结合在一起。“此前有过许多测量物质—反物质不对称性的尝试，但截至目前，还没有人成功，”谢尔顿·斯通说，“这是反物质研究的一个里程碑。”为了这项研究，斯通与欧洲核子研究中心（CERN）实验室的“大型强子对撞机底夸克实验”（Large Hadron Collider beauty，简称LHCb）研究人员进行了合作。

这些研究结果可能还预示着标准模型——描述了基本粒子的相互作用——以外的新物理学。“在那一天到来之前，我们还需要从理论上进行尝试，以不那么深奥的方式来解释观察结果，”斯通解释道。

物质的每个粒子都具有相应的反粒子，除了电荷相反之外，在其他方面都完全相同。举例来说，对氢原子和反氢原子的精确研究揭示了超过十亿分之一位数的相似性。当物质粒子与反物质粒子接触时，它们会发生湮灭，同时释放出能量——类似于大约140亿年前发生的大爆炸。“这就是为什么我们周围的宇宙中如此缺少天然反物质的原因，”谢尔顿·斯通说道。作为美国物理学会的会员，他获得了今年的帕诺夫斯基实验粒子物理学奖。

萦绕在谢尔顿·斯通心头的问题是物质和反物质之间“相等但相反”的性质。他说：“如果同等数量的物质和反物质在宇宙诞生时爆发，那么应该没有留下什么东西，只有纯粹的能量。很显然，这种情况并没有发生。”因此，斯通和LHCb的研究人员一直在寻找物质和反物质之间的微妙差异，以了解为什么物质在宇宙中如此普遍。

答案可能来自欧洲核子研究中心，借助那里的大型强子对撞机（LHC）——世界上最大、能量最高的粒子加速器——科学家可以通过质子碰撞来产生反物质。LHC产生的能量越高，碰撞过程中形成的粒子和反粒子就越多。

雪城大学高能物理研究组的博士后研究者伊万·波利亚科夫（Ivan Polyakov）等科学家正是在这些碰撞的“碎屑”中搜寻粒子成分。“在我们的世界中看不到反物质，因此我们必须人工制造反物质，”他说，“来自这些碰撞的数据使我们了解衰变的过程，以及从不稳定粒子转化成更稳定副产物的过程。”

雪城大学的高能物理研究组以其在夸克领域的开创性研究著称。夸克是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克有6种类型，或者称6种“味”，但科学家通常成对地描述它们：上/下、粲/奇和顶/底。每对夸克都具有相应的质量和电荷分数——夸克是目前已知唯一基本电荷非整数的粒子。

除了底夸克之外，雪城大学高能物理研究组还对粲夸克很感兴趣。尽管质量相对较大，但粲夸克在衰变为更稳定产物之前可以短暂存在。近期，该研究组研究了相同粒子的两个版本。一个版本包含一个粲夸克和一个反顶夸克；另一个版本包含一个反粲夸克和一个顶夸克。

从大型强子对撞机的数据中，，研究人员识别了两个版本的粒子，其数量都以千万计，并计算出了每种粒子衰变为新副产物的次数。“对于两组粒子，两个可能结果之间的比例应该是相同的，但我们发现二者存在大约十分之一的差异，”谢尔顿·斯通说道。“这证明了粲夸克物质和反物质粒子并不是完全可互换的，”波利亚科夫补充道，“从外面看粒子可能完全一样，但它们在内部的行为有所不同。这正是反物质令人困惑之处。”

物质和反物质表现出不同行为的想法并不新鲜。此前对奇夸克和底夸克的研究已经证实了这一点。谢尔顿·斯通总结称，这项研究的独特之处在于，这是有史以来第一次有人证实了粲夸克的不对称性，“这是可以载入史册的发现。”

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