我們所處的世界，物質和反物質明顯不平衡，這是當今物理學的一大難題。目前看來，宇宙中并不存在由反物質組成的行星、恒星或星系，至少我們尚未發(fā)現(xiàn)任何相關的跡象。然而在宇宙的早期階段，正反兩種物質應該是等量存在的。在那時，高能輻射不斷創(chuàng)造出大量粒子反粒子對，兩者僅有電荷不同，之后它們又相互碰撞，一起湮滅。到了今天，在宇宙已經充分冷卻之后，每10億個輻射粒子只留下了1個物質粒子。這點小小的盈余足夠創(chuàng)造出我們的物質世界，但是，那些反粒子去哪了？

　　1967年，俄羅斯物理學家安德烈·扎哈羅夫（Andrei Sacharow）提出，物質之所以在數(shù)量上占據(jù)了優(yōu)勢，原因是物質粒子和反物質粒子之間存在細微差別。兩者之間必定存在這樣或那樣的不同，而不是完全對稱——科學家把這種現(xiàn)象稱為對稱性破缺。

　　對稱性在物理學中起著重要作用。我們日常都會體驗到的一種對稱是空間鏡像對稱：當我們從鏡子里觀察世界時，乍看上去鏡中世界和本來的世界一模一樣。但如果仔細看，我們會發(fā)現(xiàn)，右撇子在鏡子里成了左撇子，右旋螺絲變成了左旋螺絲。

　　這同樣適用于微觀世界中的粒子及其相互作用。構成物質的粒子都具有自旋，即內在的旋轉性質。根據(jù)自旋是指向運動方向還是背離運動方向，科學家把粒子分為“右手征”和“左手征”。左手征粒子的鏡像是右手征的，就像右旋螺絲經空間反射變換后成了左旋螺絲一樣。

　　然而，早在20世紀50年代，科學家就發(fā)現(xiàn)在放射性β衰變中只會產生左手征粒子或相應的右手征反粒子。通過β衰變產生的中微子甚至全是左手征的，對應的反粒子則總是右手征粒子。由于沒有右手征中微子的存在，所以左手征中微子不存在空間鏡像。于是物理學家提出，在自然界中，這種名為宇稱（P）的鏡像對稱是破缺的。

　　除了空間對稱以外，還存在與電荷等內在屬性有關的對稱?？茖W家把粒子與反粒子之間的對稱叫作電荷鏡像對稱，或電荷共軛對稱。這種對稱性在中微子身上也被打破了。目前為止沒有觀察到左手征反中微子的存在，所以左手征中微子也沒有對應的電荷鏡像。

　　那么，也許粒子和反粒子之間的對稱并非單純的電荷共軛對稱，而是將空間鏡像（P）和電荷鏡像（C）組合起來的聯(lián)合對稱？在這個“CP鏡子”中，左手征中微子變成了右手征反中微子——正如我們在自然界中所觀察到的那樣。物理學家期望，至少在理論上，CP鏡子能將物質世界完美轉換成適用相同物理定律的反物質版本。若果真如此，我們所在的宇宙是帶正電的質子、帶負電的電子組成的物質世界，還是由帶有相反電荷的反粒子組成的反物質世界，就只是叫法不同而已了。

　　夸克和輕子（包括電子和中微子）是物質的基本組成部分，它們都有與之對應的帶有相反電荷的反粒子。這些帶有分數(shù)電荷的夸克在自然界當中都是相互結合在一起的。比如每個質子和中子都是由三個上夸克和下夸克組成。這些三個夸克組成的粒子被稱為重子。另外，我們也觀察到了夸克和反夸克組合而成的粒子，即所謂的介子。

　　然而，研究人員在1964年對中性粒子K介子進行的實驗，粉碎了粒子-反粒子完美對稱的希望。他們觀察到，K介子的衰變行為與其反粒子并不相同。領導該研究的兩位科學家詹姆斯·克羅寧（James Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）憑借這一發(fā)現(xiàn)于1980年獲得了諾貝爾獎。

　　由于這種對稱性破缺，粒子世界現(xiàn)在可以明確地與反粒子世界區(qū)分開來。對于我們宇宙的演化，這種CP破壞發(fā)揮了關鍵作用，它有可能解釋為何物質占據(jù)了主導地位。

　　尋找對稱破缺

　　這樣看來，似乎一切都說的通了——但前提是實驗室中測出的對稱破缺強度足以造成宇宙中正反物質的不平衡。通過大量的K介子和B介子測量實驗，我們發(fā)現(xiàn)事實并非如此。在微觀世界的某個地方，可能還存在其他違反CP對稱的全新物理過程和現(xiàn)象。現(xiàn)在，借助高精度實驗，科學家已經察覺到了一些蛛絲馬跡。

　　介子是研究粒子與反粒子不對稱性的良好對象，因為介子是由一個夸克和一個反夸克組成的——可算作是物質和反物質的混合系統(tǒng)。此外介子不穩(wěn)定，會在很短的時間內衰變。其中的一個夸克會轉變成新的夸克。原子核發(fā)生放射性衰變時，由三個夸克組成的中子也會經歷類似的過程。為了描述這種衰變過程，物理學家借助了所謂的費曼圖。這種圖表最初是為了更簡潔直觀地表示計算規(guī)則而發(fā)明的。不同夸克的相互轉化是基本作用力弱相互作用的標志性效果。在這一過程中，通過帶正電或負電、負責傳遞弱相互作用的W玻色子，帶有2/3正電荷的上夸克、粲夸克和頂夸克可以轉變?yōu)閹в?/3負電荷的下夸克、奇異夸克和底夸克，反之亦然。

　　夸克通過弱相互作用轉化為另一種夸克，會導致一些復雜的物理過程。例如，由奇異夸克和反底夸克組成的Bs介子能轉變成反粒子，在極短時間內后者又會變回Bs介子。整個系統(tǒng)會在粒子和反粒子之間不斷振蕩。在全世界最大的粒子加速器、歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）上，有一個名為LHCb的實驗裝置在追蹤這類特殊過程。

　　有趣的是，在正反粒子的中間態(tài)里出現(xiàn)了頂夸克，這種夸克的質量要比原始Bs介子高很多倍。乍眼看去，這似乎并不可能——產生它們的能量從何而來？答案來自于量子力學，根據(jù)海森堡不確定性原理，在極短的時間內，能量守恒定律可以暫時被打破。這些粒子處于虛擬的過渡態(tài)，它們會顯著影響振蕩頻率，因此科學家可以通過精確測量振蕩頻率，來驗證過渡態(tài)的理論假設是否正確。同樣，科學家還能從中尋找未知新粒子發(fā)揮作用的跡象，即便那些粒子質量極大。

　　到目前為止，把誤差考慮進去的話，理論計算的結果和測量值可以說是一致的。不幸的是，即便借助計算機，對振蕩頻率進行實際計算也是困難重重，只能得到近似值。因此，理論計算結果的不確定性現(xiàn)在還遠遠大于測量誤差。

　　量子效應不但能導致粒子在正反狀態(tài)振蕩，也能打破粒子和反粒子的對稱。另一種名為B0的B介子特別適合用來研究此類現(xiàn)象，因為據(jù)很多理論物理學家的預測，這一類粒子在衰變時更容易受到對稱性破缺的影響。與之前描述過的粒子反粒子振蕩相似，我們可以通過介子的衰變來測量CP破壞，這種介子可以衰變?yōu)橐粋€帶正電的K介子（由上夸克和反奇異夸克組成）和一個帶負電的π介子（由下夸克和反上夸克組成）。結果非常明顯：發(fā)生衰變的B0介子數(shù)量明顯大于介子的數(shù)量，確切地說，多了8%。對于更為少見的Bs介子來講，正反粒子的差異甚至更為明顯，測量顯示，衰變?yōu)镵介子的Bs介子比其反粒子要多出近27%。

　　未知的物理機制

　　通過大量的B介子衰變，我們已經能非常準確地測出CP破壞的強度。LHCb的物理學家在此前斯坦福大學BaBar實驗和日本筑波大學Belle實驗的基礎上，設計了一系列精確的測試實驗。不過，這次他們?yōu)榇蠖鄶?shù)測量制定了新的精確度標準。與中性B介子粒子-反粒子振蕩有所不同的是，衰變過程中觀測到的很多不對稱性可以在理論上精確地計算出來。因此，測量成為了一種更有效的工具，可在衰變的量子修正中搜尋新粒子。同時它們也能幫我們找出可能導致粒子和反粒子不對稱的新機制。研究人員也希望能從中間接得出答案，解釋我們宇宙的物質為何不對稱。

　　到目前為止，粒子物理標準模型對基本粒子世界相關現(xiàn)象的描述是非常成功的。在這一理論中，只有在弱相互作用過程中才會出現(xiàn)CP破壞。各種夸克轉變過程，例如上夸克轉變?yōu)橄驴淇?、上夸克轉變?yōu)榈卓淇?，是緊密關聯(lián)的——這些轉變的概率存在固定關系，這種關系可以用幺正三角形來表示，其面積表示的就是觀測到的CP破壞強度。兩位日本理論物理學家小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）憑借對這些現(xiàn)象的描述獲得了2008年諾貝爾物理學獎。三角形的角度和邊長無法計算，只能通過實驗確定。把三角形的底設為單位長度1，測出另外兩個參數(shù)，就能確定整個三角形。

　　通過B0介子衰變?yōu)镵介子和J /ψ介子（B0→J/ψ Ks）時的CP破壞強度測出三角形的β角，再根據(jù)B介子振蕩頻率得出側邊長，就得到了目前此三角形的最佳測量結果。其他每種夸克轉變也必須能用三角形的參數(shù)描述，而三角形的任何不自洽之處，可能都標志著某種標準模型之外的粒子或作用力。因此，LHCb的物理學家正通過多種不同方法測量三角形參數(shù)，找尋可能存在的偏差。

　　通過幾何計算，可以得出此三角形的另一個角γ是65度。這一結果的不確定性很低，大概是2%~3%。不過，與此同時，這一角度也可以借助B±→D0K±等衰變反應中的CP破壞強度完全獨立地測量出來。當然，這些過程非常罕見，因此γ角的測量結果到目前為止都很不準確。LHCb的研究人員通過記錄大量的B介子，能將誤差降低到大約5度。目前，實驗測量出的結果是73.5度，雖然比幾何方法計算出的結果要高，但在統(tǒng)計學上仍然是相符的。下一步要確定的是，隨著測量精度的提高，這種差異是會消失掉，還是會變得越來越明顯。

　　到目前為止，標準模型似乎仍能正確描述粒子物理的這一領域。鑒于B介子相關物理過程中粒子和反粒子的不對稱性測量相對繁瑣，原理也十分復雜，得出這樣的結果雖不算驚人，但也相當可觀。然而，前面γ角計算那個例子表明，現(xiàn)在要給出明確的結論還為時尚早。任何未知粒子給量子效應和CP破壞帶來的影響都可能非常小，從而隱藏在仍然很大的不確定性背后。盡管物理學家在重子衰變中沒有發(fā)現(xiàn)CP破壞的明確證據(jù)，但LHCb的研究者首次發(fā)現(xiàn)了與之相關的線索。

　　所謂的λ重子（即Λb，含有底夸克、上夸克和下夸克）會衰變成一個質子和三個帶電荷的π介子。相應的反λ重子則衰變成反質子和三個帶電荷的π介子。這類衰變非常罕見，如果不是因為LHCb實驗反應速率快，反應量大，真的很難發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。首次測量顯示，λ和反λ重子的衰變之間存在微小差異。然而，由于這類測量誤差很大，所以物理學家寧愿暫時將他們的觀察結果稱為有力的線索。但是，如果更多的數(shù)據(jù)證明重子衰變中的確存在CP破壞，那么也許這種現(xiàn)象實際上也存在于此前的各類粒子系統(tǒng)當中。這將為我們打開一扇新的大門，有助于我們更好地了解自然界的基本作用力和粒子。

　　除重子外，目前還有另外一類粒子也很難被精確測量：那就是中性D介子。這種粒子的獨特之處在于，它是唯一一種擁有三分之二電荷夸克（即上夸克和粲夸克）的中性介子。雖然中性D介子是在B介子之前被發(fā)現(xiàn)的，但是直到2013年，科學家才通過LHCb實驗明確無誤地證明它也存在混合，或者說振蕩現(xiàn)象，也就是介子和自身的反粒子能相互轉變。之所以很難觀察到中性D介子的振蕩，是因為它的振蕩頻率過慢。在經歷足夠長時間，得以轉化為反粒子之前，大多數(shù)粒子已經衰變了。因此，首選需要大量的D介子，只有這樣才能有一些非常長壽的粒子最終經歷正反粒子的轉化，并讓物理學家觀察到。在D介子身上，粒子-反粒子不對稱更是難以觀察到，因為根據(jù)理論預言，這個數(shù)值非常小。

　　盡管目前在LHCb上進行的對稱性測試最高精度能達到0.1‰，但是采集到的數(shù)據(jù)還遠遠不足以觀察到預期的不對稱性。不過，由于這種不對稱性很小，需要極為精確的測量，所以一些意想不到的效應可能相對來說很強，能夠明顯影響測量結果。因此，我們還是可以期盼有驚喜出現(xiàn)的。

　　在測量結果的不確定性相當大的情況下，新的物理現(xiàn)象有時會被掩蓋住，比如說，被當成大質量的未知粒子帶來的效應。LHCb的科學家計劃在2030年前將數(shù)據(jù)集擴大十倍，同時還要優(yōu)化探測器以能適應更大的數(shù)據(jù)傳輸率，這樣就能顯著降低測量中的不確定性。LHCb將幫助我們進一步理解夸克物理中的粒子-反粒子對稱性破缺。如果真的存在未知的新效應，LHCb應該能夠發(fā)現(xiàn)它們。此外，物理學家也在通過其他實驗研究中微子可能存在的CP破壞。也許，早期宇宙中真的還存在一些我們此前未知的粒子或CP破壞機制，因為很明顯，我們目前在介子實驗中所觀察到的CP破壞強度，并不足以解釋為何宇宙中物質是過剩的。一定還有一些未知的東西做出了貢獻，而它們一定會在粒子世界中留下蛛絲馬跡。我們需要做的，就是去找到它們。

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