宇宙誕生之初的反物質(zhì)去哪里了？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新測(cè)量方法

在宇宙大爆炸之初，正反物質(zhì)是一起產(chǎn)生的。但是，宇宙中如今只有正物質(zhì)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何反物質(zhì)。那么，宇宙誕生之初的反物質(zhì)去哪里了?這個(gè)問(wèn)題困擾了科學(xué)界半個(gè)多世紀(jì)。

6月1日，《自然》雜志報(bào)道了一項(xiàng)關(guān)于科西超子的重要研究成果。依托北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的“眼睛”——北京譜儀Ⅲ，中外高能物理學(xué)家首次利用處于量子糾纏的正反科西超子對(duì)的級(jí)聯(lián)衰變，成功將導(dǎo)致正反物質(zhì)不對(duì)稱的弱作用力從強(qiáng)作用力中分離出來(lái)。這一創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法為研究物質(zhì)和反物質(zhì)之間的差異提供了極其靈敏的探針。

“這項(xiàng)成果不僅更精確地驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言是正確的，而且發(fā)展了一種新的測(cè)量方法，打破了30年來(lái)不能同時(shí)對(duì)超子及其反粒子進(jìn)行測(cè)量的困境，為揭開(kāi)宇宙原初反物質(zhì)消失之謎帶來(lái)了希望。”在接受采訪時(shí)，中科院高能物理研究所研究員李海波指出。

超子是一類重子，是早期在宇宙線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的不穩(wěn)定粒子。與質(zhì)子或中子不同，超子內(nèi)部至少含有一個(gè)奇異夸克。

作為超子的一種，科西超子由兩個(gè)奇異夸克和一個(gè)下夸克組成，它的壽命很短，只有160皮秒。在科西超子生命的盡頭，它會(huì)衰變成一個(gè)蘭布達(dá)超子，同時(shí)釋放一個(gè)帶電的π介子;蘭布達(dá)超子的壽命也不長(zhǎng)，有260皮秒，它最后會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)帶電的π介子。

科西超子的這種母粒子衰變成子粒子，子粒子再衰變的過(guò)程，被科學(xué)家稱為科西超子的級(jí)聯(lián)衰變。“這種級(jí)聯(lián)衰變帶有很豐富的自旋極化信息，可以通過(guò)其精確測(cè)量超子和反超子衰變的不對(duì)稱性，即測(cè)量超子衰變中的CP破壞。”李海波說(shuō)，測(cè)量超子衰變中的CP破壞是檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的重要手段。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外科學(xué)家已經(jīng)在不同介子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)CP破壞現(xiàn)象，這些發(fā)現(xiàn)都與粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言一致。然而，科學(xué)家從未在重子衰變中發(fā)現(xiàn)過(guò)CP破壞。李海波介紹，在實(shí)驗(yàn)上尋找重子衰變中的CP破壞，對(duì)于理解宇宙原初反物質(zhì)消失之謎有著重要的科學(xué)意義。

幸運(yùn)的是，北京譜儀Ⅲ為測(cè)量超子衰變中CP破壞提供了絕佳的條件。

“北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴占酱罅康目莆鞒樱@些正反科西超子都處于量子相干狀態(tài)，我們利用這一獨(dú)特的量子相干效應(yīng)，以及科西超子的級(jí)聯(lián)衰變和自旋極化信息，以前所未有的精度測(cè)量了正反科西超子的不對(duì)稱參數(shù)，并首次測(cè)量了超子衰變中弱相互作用和強(qiáng)相互作用相因子，給出3種CP不對(duì)稱性最精確的測(cè)量結(jié)果。”李海波說(shuō)，北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)這一創(chuàng)新方法為尋找CP破壞提供了一種全新的視角。

對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院院士、高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳說(shuō)：“這是理解正反物質(zhì)不對(duì)稱的一個(gè)里程碑，我期待北京譜儀Ⅲ合作組取得更多成就。”

李海波表示，盡管這項(xiàng)研究成果顯示沒(méi)有CP破壞的跡象，然而，這一創(chuàng)新方法為科學(xué)家未來(lái)確認(rèn)或排除超出標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞帶來(lái)了希望。(陸成寬)