物質(zhì)與反物質(zhì)：LHC 的發(fā)現(xiàn)可以解釋宇宙如何避免湮滅

Matter 和反物質(zhì)應(yīng)該在億萬年前就把彼此徹底消滅了，留下宇宙一個(gè)非常空曠的地方。

顯然這并沒有發(fā)生。大型強(qiáng)子對撞機(jī) （LHC） 的實(shí)驗(yàn)可能發(fā)現(xiàn)了我們?nèi)绾伪苊膺@場世界末日的新線索，暗示了稱為重子的粒子及其反物質(zhì)孿生體的衰變存在驚人的差異。

反物質(zhì)應(yīng)該與常規(guī)物質(zhì)基本相同，只是它的反粒子與它們的相應(yīng)粒子具有相反的電荷。不過，這種微小的差異會產(chǎn)生重大后果——如果兩者相遇，它們會在一股能量中相互湮滅。

模型表明Big Bang應(yīng)該以相等的數(shù)量創(chuàng)造物質(zhì)和反物質(zhì)，但這意味著在那些早期形成的粒子總和早在恒星、行星和生命形成之前就已經(jīng)抵消了。

既然我們首先在這里思考這個(gè)謎題，很明顯有什么東西介入了。通過某種未知的機(jī)制，宇宙似乎只剩下比反物質(zhì)多一點(diǎn)的物質(zhì)。

歐洲核子研究組織 （CERN） 物理學(xué)家現(xiàn)在分析了 LHC 數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了令人信服的證據(jù)，證明物質(zhì)和反物質(zhì)的行為方式還有其他差異，導(dǎo)致了這種不平衡，而我們賴以生存正是這種不平衡。

理論上，所有粒子都應(yīng)該受到所謂的電荷奇偶性 （CP） 對稱性.基本上，如果你把宇宙中所有粒子的電荷翻轉(zhuǎn)過來，并反轉(zhuǎn)它們的空間坐標(biāo)，那么這個(gè)鏡像宇宙仍然應(yīng)該遵循與我們自己的物理定律相同的所有定律。

但事實(shí)證明，一些互動違反這種對稱性。一個(gè)具有里程碑意義的 1964 年實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)名為 K 的粒子₂介子偶爾會衰變成它們在不違反 CP 對稱性的情況下無法衰變的產(chǎn)物。這種情況非常罕見——大約每 1000 次衰變事件中就有 2 次——但這足以顛覆當(dāng)時(shí)公認(rèn)的物理學(xué)觀點(diǎn)。

后來幾十年的許多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)類似違規(guī)行為在其他顆粒，但僅限于其他類型的介子。這不足以解釋反物質(zhì)的稀有性。尚未在重子中觀察到 CP 違規(guī)，重子是構(gòu)成宇宙中大部分可觀測物質(zhì)的另一類主要粒子。

這項(xiàng)新研究現(xiàn)在終于確定了重子中的 CP 違規(guī)，使用了類似于 1964 年研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)置——盡管規(guī)模要大得多。而不是 K₂介子，該團(tuán)隊(duì)專注于稱為 Beauty-lambda 重子 （Λ_b） 及其反粒子。

如果 CP 對稱性起作用，則 Λ_b和抗 Λ_b粒子應(yīng)以相同的速率衰減。但是，如果兩者之間存在顯著差異，那就是違反 CP 的跡象。

LHCb 合作的研究人員分析了 2009 年至 2018 年間 LHC 前兩次運(yùn)行期間捕獲的數(shù)萬次衰變。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)衰變和反物質(zhì)衰變之間的差異約為 2.45%。這與零相差 5.2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，使其成為足夠大的差異確認(rèn)觀察到 CP 沖突。

“在重子中觀察到 CP 違規(guī)的時(shí)間比在介子中花費(fèi)的時(shí)間更長的原因是效應(yīng)的大小和可用數(shù)據(jù)，”說Vincenzo Vagnoni，LHCb 合作發(fā)言人。

“我們需要像 LHC 這樣的機(jī)器，能夠產(chǎn)生足夠多的美麗重子及其反物質(zhì)對應(yīng)物，我們需要在這臺機(jī)器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠精確定位它們的衰變產(chǎn)物。

“我們經(jīng)歷了 80,000 多次重子衰變，才第一次看到這類粒子的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性?！?/p>

這一重大突破可以為品牌提供線索新力量和粒子，這可能有助于解開為什么反物質(zhì)沒有湮滅宇宙的全部內(nèi)容的謎團(tuán)。

“我們觀察 CP 違規(guī)行為的系統(tǒng)越多，測量越精確，我們測試的機(jī)會就越多標(biāo)準(zhǔn)型號并尋找超越它的物理學(xué)，”瓦格諾尼說.

該研究已提交給該雜志自然界，預(yù)同行評審版本目前可在arXiv.

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