@ 2017.04.17 , 20:21

物理学家捕获反物质与物质的反常行为

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图片来源: 美国国家航空航天局, 欧洲空间局, J. Hester, A. Loll (亚利桑那州立大学)

物理学界最大的谜题之一就是宇宙中为何有物质存在。本周,在世界最大的原子对撞机——大型强子对撞机工作的一批物理学家或许离该谜题的答案又近一步:他们发现,同质子、中子等构成我们所熟悉的物质同族的粒子,其行为方式和与之相对的反物质粒子有着细小的差别。

物质与反物质有着相同的特性,但携带相反的电荷。举例来说,一块铁,其质子带正电,电子带负电;一块“反”铁,其反质子带负电,反电子带正电(即反电子)。如果物质与反物质相接触,它们双方将会湮灭并转化为光子(偶尔也会转化为少量轻质粒子,如中微子)。除此之外, 物质与反物质的行为方式应相同,甚至外表也相同——这种现象被称为电荷共轭对称性(CP对称)。

除一致的行为之外,电荷共轭对称性也暗示,在约137亿年前的大爆炸时形成的物质与反物质的数量应该是相等的。但显然这并不可能,假如宇宙中二者数量相等,那么它们最初就会湮灭,人类也就不会存在了。

但如果违反了该对称——这意味着一部分反物质与其相对应的物质有不同的行为方式——也许这种差别可以解释物质存在至今的原因。

为了寻找这种违反,物理学家们在位于横跨瑞士与法国地下的17英里(27公里)长的环形设施——大型强子对撞机中观察到了一种叫做λ-b重子的粒子。重子包含构成普通物质的整类粒子;质子和中子都是重子。重子由夸克构成,反物质重子由反夸克构成。夸克与反夸克有6种“味”:上、下、顶、底(或美)、奇、粲,科学家们用来表示其不同的类别。一枚λ-b粒子由一枚上夸克、一枚下夸克和一枚底夸克组成(一枚质子由两枚上夸克和一枚下夸克组成,一枚中子则由两枚下夸克和一枚上夸克组成。)

如果该λ粒子与其对应的反物质粒子显示了电荷共轭对称性,那么它们将以相同方式衰变。相反的是,该团队发现λ-b重子与反λ-b重子以不同形式衰变。λ粒子以两种方式衰变:衰变为一枚质子和两枚叫做π介子的带正电的粒子,或衰变为一枚质子和两枚K介子。当粒子衰变时,它们会以一定角度抛出子粒子。正反λ粒子均抛出子粒子,但抛出角度不同。

这并不是首次物质与反物质行为方式相异。20世纪60年代,科学家研究K介子本身时,其衰变方式也与其相对应的反物质粒子不同。B介子——包含一枚底夸克和一枚上、下、奇或粲夸克——也曾显现出相似的“违背”行为。

然而,介子并不与重子完全相同。介子由成对的夸克和反夸克组成,重子只由一般的夸克组成,同样的,反质子也只由反夸克组成。重子和反重子衰变之间的差异此前从未被观测到。

波兰科学院曾参与过大型强子对撞机的实验,该学院核物理研究所的副教授马尔钦·库查克齐克对“在线科学”网站表示:“现在我们对重子有了新的发现”,“当你观察介子时,那种差别并不明显,观察重子时也一样。”

该结果虽然诱人但不够稳固,不能算作发现。对物理学家而言,显著性差异,即检查数据是否可能偶然产生的方式,其量度是5σ。σ指标准差, 而5σ表示只有1/3,500,000 的几率该结果是偶然出现的。该实验达到了3.3σ,但还远不够。(也就是说,3.3σ意味着有1/4,200的几率该观测结果可能是偶然发生的,或者说99%的置信水平)

库查克齐克表示。该发现并不能完整地解答为何是物质主宰着宇宙

他表示:“它不能完全解释不对称”,“在将来我们会获得更多数据,或许是关于其他重子的数据”

该发现详细情况刊于《自然-物理学》1月30日刊

本文译自 Scientific American,由译者 HW 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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