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宇宙万物的诞生,都要感谢这个未解之谜
2022-09-11

我们所处的世界,物质和反物质明显不平衡,这是当今物理学的一大难题。目前看来,宇宙中并不存在由反物质组成的行星、恒星或星系,至少我们尚未发现任何相关的迹象。然而在宇宙的早期阶段,正反两种物质应该是等量存在的。在那时,高能辐射不断创造出大量粒子反粒子对,两者仅有电荷不同,之后它们又相互碰撞,一起湮灭。到了今天,在宇宙已经充分冷却之后,每10亿个辐射粒子只留下了1个物质粒子。这点小小的盈余足够创造出我们的物质世界,但是,那些反粒子去哪了?

1967年,俄罗斯物理学家安德烈·扎哈罗夫(Andrei Sacharow)提出,物质之所以在数量上占据了优势,原因是物质粒子和反物质粒子之间存在细微差别。两者之间必定存在这样或那样的不同,而不是完全对称——科学家把这种现象称为对称性破缺。

对称性在物理学中起着重要作用。我们日常都会体验到的一种对称是空间镜像对称:当我们从镜子里观察世界时,乍看上去镜中世界和本来的世界一模一样。但如果仔细看,我们会发现,右撇子在镜子里成了左撇子,右旋螺丝变成了左旋螺丝。

这同样适用于微观世界中的粒子及其相互作用。构成物质的粒子都具有自旋,即内在的旋转性质。根据自旋是指向运动方向还是背离运动方向,科学家把粒子分为“右手征”和“左手征”。左手征粒子的镜像是右手征的,就像右旋螺丝经空间反射变换后成了左旋螺丝一样。

然而,早在20世纪50年代,科学家就发现在放射性β衰变中只会产生左手征粒子或相应的右手征反粒子。通过β衰变产生的中微子甚至全是左手征的,对应的反粒子则总是右手征粒子。由于没有右手征中微子的存在,所以左手征中微子不存在空间镜像。于是物理学家提出,在自然界中,这种名为宇称(P)的镜像对称是破缺的。

除了空间对称以外,还存在与电荷等内在属性有关的对称。科学家把粒子与反粒子之间的对称叫作电荷镜像对称,或电荷共轭对称。这种对称性在中微子身上也被打破了。目前为止没有观察到左手征反中微子的存在,所以左手征中微子也没有对应的电荷镜像。

那么,也许粒子和反粒子之间的对称并非单纯的电荷共轭对称,而是将空间镜像(P)和电荷镜像(C)组合起来的联合对称?在这个“CP镜子”中,左手征中微子变成了右手征反中微子——正如我们在自然界中所观察到的那样。物理学家期望,至少在理论上,CP镜子能将物质世界完美转换成适用相同物理定律的反物质版本。若果真如此,我们所在的宇宙是带正电的质子、带负电的电子组成的物质世界,还是由带有相反电荷的反粒子组成的反物质世界,就只是叫法不同而已了。

夸克和轻子(包括电子和中微子)是物质的基本组成部分,它们都有与之对应的带有相反电荷的反粒子。这些带有分数电荷的夸克在自然界当中都是相互结合在一起的。比如每个质子和中子都是由三个上夸克和下夸克组成。这些三个夸克组成的粒子被称为重子。另外,我们也观察到了夸克和反夸克组合而成的粒子,即所谓的介子。

然而,研究人员在1964年对中性粒子K介子进行的实验,粉碎了粒子-反粒子完美对称的希望。他们观察到,K介子的衰变行为与其反粒子并不相同。领导该研究的两位科学家詹姆斯·克罗宁(James Cronin)和瓦尔·菲奇(Val Fitch)凭借这一发现于1980年获得了诺贝尔奖。

由于这种对称性破缺,粒子世界现在可以明确地与反粒子世界区分开来。对于我们宇宙的演化,这种CP破坏发挥了关键作用,它有可能解释为何物质占据了主导地位。

寻找对称破缺

这样看来,似乎一切都说的通了——但前提是实验室中测出的对称破缺强度足以造成宇宙中正反物质的不平衡。通过大量的K介子和B介子测量实验,我们发现事实并非如此。在微观世界的某个地方,可能还存在其他违反CP对称的全新物理过程和现象。现在,借助高精度实验,科学家已经察觉到了一些蛛丝马迹。

介子是研究粒子与反粒子不对称性的良好对象,因为介子是由一个夸克和一个反夸克组成的——可算作是物质和反物质的混合系统。此外介子不稳定,会在很短的时间内衰变。其中的一个夸克会转变成新的夸克。原子核发生放射性衰变时,由三个夸克组成的中子也会经历类似的过程。为了描述这种衰变过程,物理学家借助了所谓的费曼图。这种图表最初是为了更简洁直观地表示计算规则而发明的。不同夸克的相互转化是基本作用力弱相互作用的标志性效果。在这一过程中,通过带正电或负电、负责传递弱相互作用的W玻色子,带有2/3正电荷的上夸克、粲夸克和顶夸克可以转变为带有1/3负电荷的下夸克、奇异夸克和底夸克,反之亦然。

夸克通过弱相互作用转化为另一种夸克,会导致一些复杂的物理过程。例如,由奇异夸克和反底夸克组成的Bs介子能转变成反粒子,在极短时间内后者又会变回Bs介子。整个系统会在粒子和反粒子之间不断振荡。在全世界最大的粒子加速器、欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上,有一个名为LHCb的实验装置在追踪这类特殊过程。

有趣的是,在正反粒子的中间态里出现了顶夸克,这种夸克的质量要比原始Bs介子高很多倍。乍眼看去,这似乎并不可能——产生它们的能量从何而来?答案来自于量子力学,根据海森堡不确定性原理,在极短的时间内,能量守恒定律可以暂时被打破。这些粒子处于虚拟的过渡态,它们会显著影响振荡频率,因此科学家可以通过精确测量振荡频率,来验证过渡态的理论假设是否正确。同样,科学家还能从中寻找未知新粒子发挥作用的迹象,即便那些粒子质量极大。

到目前为止,把误差考虑进去的话,理论计算的结果和测量值可以说是一致的。不幸的是,即便借助计算机,对振荡频率进行实际计算也是困难重重,只能得到近似值。因此,理论计算结果的不确定性现在还远远大于测量误差。

量子效应不但能导致粒子在正反状态振荡,也能打破粒子和反粒子的对称。另一种名为B0的B介子特别适合用来研究此类现象,因为据很多理论物理学家的预测,这一类粒子在衰变时更容易受到对称性破缺的影响。与之前描述过的粒子反粒子振荡相似,我们可以通过介子的衰变来测量CP破坏,这种介子可以衰变为一个带正电的K介子(由上夸克和反奇异夸克组成)和一个带负电的π介子(由下夸克和反上夸克组成)。结果非常明显:发生衰变的B0介子数量明显大于介子的数量,确切地说,多了8%。对于更为少见的Bs介子来讲,正反粒子的差异甚至更为明显,测量显示,衰变为K介子的Bs介子比其反粒子要多出近27%。

未知的物理机制

通过大量的B介子衰变,我们已经能非常准确地测出CP破坏的强度。LHCb的物理学家在此前斯坦福大学BaBar实验和日本筑波大学Belle实验的基础上,设计了一系列精确的测试实验。不过,这次他们为大多数测量制定了新的精确度标准。与中性B介子粒子-反粒子振荡有所不同的是,衰变过程中观测到的很多不对称性可以在理论上精确地计算出来。因此,测量成为了一种更有效的工具,可在衰变的量子修正中搜寻新粒子。同时它们也能帮我们找出可能导致粒子和反粒子不对称的新机制。研究人员也希望能从中间接得出答案,解释我们宇宙的物质为何不对称。

到目前为止,粒子物理标准模型对基本粒子世界相关现象的描述是非常成功的。在这一理论中,只有在弱相互作用过程中才会出现CP破坏。各种夸克转变过程,例如上夸克转变为下夸克、上夸克转变为底夸克,是紧密关联的——这些转变的概率存在固定关系,这种关系可以用幺正三角形来表示,其面积表示的就是观测到的CP破坏强度。两位日本理论物理学家小林诚(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)凭借对这些现象的描述获得了2008年诺贝尔物理学奖。三角形的角度和边长无法计算,只能通过实验确定。把三角形的底设为单位长度1,测出另外两个参数,就能确定整个三角形。

通过B0介子衰变为K介子和J /ψ介子(B0→J/ψ Ks)时的CP破坏强度测出三角形的β角,再根据B介子振荡频率得出侧边长,就得到了目前此三角形的最佳测量结果。其他每种夸克转变也必须能用三角形的参数描述,而三角形的任何不自洽之处,可能都标志着某种标准模型之外的粒子或作用力。因此,LHCb的物理学家正通过多种不同方法测量三角形参数,找寻可能存在的偏差。

通过几何计算,可以得出此三角形的另一个角γ是65度。这一结果的不确定性很低,大概是2%~3%。不过,与此同时,这一角度也可以借助B±→D0K±等衰变反应中的CP破坏强度完全独立地测量出来。当然,这些过程非常罕见,因此γ角的测量结果到目前为止都很不准确。LHCb的研究人员通过记录大量的B介子,能将误差降低到大约5度。目前,实验测量出的结果是73.5度,虽然比几何方法计算出的结果要高,但在统计学上仍然是相符的。下一步要确定的是,随着测量精度的提高,这种差异是会消失掉,还是会变得越来越明显。

到目前为止,标准模型似乎仍能正确描述粒子物理的这一领域。鉴于B介子相关物理过程中粒子和反粒子的不对称性测量相对繁琐,原理也十分复杂,得出这样的结果虽不算惊人,但也相当可观。然而,前面γ角计算那个例子表明,现在要给出明确的结论还为时尚早。任何未知粒子给量子效应和CP破坏带来的影响都可能非常小,从而隐藏在仍然很大的不确定性背后。尽管物理学家在重子衰变中没有发现CP破坏的明确证据,但LHCb的研究者首次发现了与之相关的线索。

所谓的λ重子(即Λb,含有底夸克、上夸克和下夸克)会衰变成一个质子和三个带电荷的π介子。相应的反λ重子则衰变成反质子和三个带电荷的π介子。这类衰变非常罕见,如果不是因为LHCb实验反应速率快,反应量大,真的很难发现这种现象。首次测量显示,λ和反λ重子的衰变之间存在微小差异。然而,由于这类测量误差很大,所以物理学家宁愿暂时将他们的观察结果称为有力的线索。但是,如果更多的数据证明重子衰变中的确存在CP破坏,那么也许这种现象实际上也存在于此前的各类粒子系统当中。这将为我们打开一扇新的大门,有助于我们更好地了解自然界的基本作用力和粒子。

除重子外,目前还有另外一类粒子也很难被精确测量:那就是中性D介子。这种粒子的独特之处在于,它是唯一一种拥有三分之二电荷夸克(即上夸克和粲夸克)的中性介子。虽然中性D介子是在B介子之前被发现的,但是直到2013年,科学家才通过LHCb实验明确无误地证明它也存在混合,或者说振荡现象,也就是介子和自身的反粒子能相互转变。之所以很难观察到中性D介子的振荡,是因为它的振荡频率过慢。在经历足够长时间,得以转化为反粒子之前,大多数粒子已经衰变了。因此,首选需要大量的D介子,只有这样才能有一些非常长寿的粒子最终经历正反粒子的转化,并让物理学家观察到。在D介子身上,粒子-反粒子不对称更是难以观察到,因为根据理论预言,这个数值非常小。

尽管目前在LHCb上进行的对称性测试最高精度能达到0.1‰,但是采集到的数据还远远不足以观察到预期的不对称性。不过,由于这种不对称性很小,需要极为精确的测量,所以一些意想不到的效应可能相对来说很强,能够明显影响测量结果。因此,我们还是可以期盼有惊喜出现的。

在测量结果的不确定性相当大的情况下,新的物理现象有时会被掩盖住,比如说,被当成大质量的未知粒子带来的效应。LHCb的科学家计划在2030年前将数据集扩大十倍,同时还要优化探测器以能适应更大的数据传输率,这样就能显著降低测量中的不确定性。LHCb将帮助我们进一步理解夸克物理中的粒子-反粒子对称性破缺。如果真的存在未知的新效应,LHCb应该能够发现它们。此外,物理学家也在通过其他实验研究中微子可能存在的CP破坏。也许,早期宇宙中真的还存在一些我们此前未知的粒子或CP破坏机制,因为很明显,我们目前在介子实验中所观察到的CP破坏强度,并不足以解释为何宇宙中物质是过剩的。一定还有一些未知的东西做出了贡献,而它们一定会在粒子世界中留下蛛丝马迹。我们需要做的,就是去找到它们。