物理学家观测到粲夸克中物质与反物质的不对称性?宇宙为什么存在

茶马星球视野   03月24日

有史以来第一次,物理学家通过世界上最大的粒子加速器,观察到了粒子和反粒子的衰变的差异,这种差异体现在构成物质基本单元的粲夸克中。

宇宙中充满了常规物质,另外还有反物质,反物质即使在地球上存在,但数量却要少得多。这个新发现本身就很重要,它让物理学家距离解释所有消失的反物质都去了哪里更近一步。这一发现可以帮助解开为什么物质存在的奥秘,锡拉丘兹大学物理学教授,新研究的合著者之一莎朗·斯通用“历史性的里程碑”来描述这一发现。

物质的每个粒子都有一个反粒子,它的质量相同,但电荷相反。当物质和反物质相遇时,它们彼此湮灭。这是一个问题。大爆炸本应产生等量的物质和反物质,而所有这些粒子本应相互迅速摧毁,除了留下纯粹的能量,其余的一切不再存在。然而预期中的这一切却没有全部发生。相反大约十亿分之一的夸克居然幸存了下来,它们是构成质子和中子的基本粒子,于是宇宙存在了。

这种衰变意味着粒子和反粒子的行为并不是完全相同。它们会以略微不同的速度衰变,从而导致物质和反物质之间的不平衡。物理学家将这种行为差异称为电荷 - 奇偶校验(CP)违规。这一概念最早来自俄罗斯物理学家安德烈·萨哈罗夫,他在1967年提出这个观点,用来解释为什么物质在宇宙大爆炸中幸存下来。

目前已知有六种不同类型的夸克,它们都有自己的属性,被称为上、下、顶、底、奇、粲。 1964年物理学家首次在奇怪的夸克中观察到现实世界中的CP违规行为。 2001年研究人员观测到这种行为发生在含有底夸克的粒子上。从事这两次相关研究的人员都为此获得了诺贝尔奖。物理学家长期以来认为它发生在含有粲夸克的粒子上,但却没有人真正发现这个事实。

该实验使用欧洲核子研究组织CERN的大型强子对撞机,这是位于法国和瑞士边境的27公里长的环状隧道,它会将亚原子粒子相互倾斜,以重现大爆炸后令人难以置信的能量闪光。当粒子相互碰撞时,它们会分裂,然后这些组成部分会在不到一秒的时间内衰变为更稳定的粒子。

最新的观测涉及到被称为介子的夸克组合,特别是D0介子和反D0介子。D0介子由一个粲夸克和一个反上夸克(上夸克的反粒子)组成。反DO介子是一个反粲夸克和一个上夸克的组合。这两个介子都以多种方式衰变,但其中有一小部分最终成为介子,称为k介子或π介子。研究人员测量了D0介子和反D0介子衰变速率的差异,这一过程包括进行间接测量,以确保他们不仅测量了两个介子初始差异,也确保他们的设备检测各种亚原子粒子能力的最小差异。

衰变的比率差异为千分之一。这个发现意味着D0和反D0不会以相同的速率衰减,这就是科学术语中所说的CP违规。该发现让事情变得十分有趣,衰变的差异可能不足以解释大爆炸后发生了什么,留下了如此多的物质。尽管宇宙大到让人惊讶。但现在物理学家可以利用这些数据来作为证据,宇宙为什么存在的真相可以更近一步。

物理学家依靠称为标准模型的东西来解释亚原子尺度上的所有东西。现在的问题是,标准模型做出的预测是否可以解释这个研究团队刚刚进行的粲夸克测量,或者是否需要某种新的物理特性解释 。某种角度来说,新的物理特性的存在将是最让科学家激动的事情,其中可能包括CP违规的真正来源。