北京譜儀Ⅲ開創探索正反物質不對稱性新方法

在宇宙大爆炸之初，正反物質是一起産生的。但是，宇宙中如今只有正物質，沒有發現任何反物質。那麼，宇宙誕生之初的反物質去哪了？這個問題困擾了科學界半個多世紀。

6月1日，《自然》雜誌報道了一項關於科西超子的重要研究成果。依託北京正負電子對撞機的“眼睛”——北京譜儀Ⅲ，中外高能物理學家首次利用處於量子糾纏的正反科西超子對的級聯衰變，成功將導致正反物質不對稱的弱作用力從強作用力中分離出來。這一創新實驗方法為研究物質和反物質之間的差異提供了極其靈敏的探針。

“這項成果不僅更精確地驗證了標準模型的預言是正確的，而且發展了一種新的測量方法，打破了30年來不能同時對超子及其反粒子進行測量的困境，為揭開宇宙原初反物質消失之謎帶來了希望。”在接受採訪時，中科院高能物理研究所研究員李海波指出。

超子是一類重子，是早期在宇宙線實驗中發現的不穩定粒子。與質子或中子不同，超子內部至少含有一個奇異夸克。

作為超子的一種，科西超子由兩個奇異夸克和一個下夸克組成，它的壽命很短，只有160皮秒。在科西超子生命的盡頭，它會衰變成一個蘭布達超子，同時釋放一個帶電的π介子；蘭布達超子的壽命也不長，有260皮秒，它最後會衰變成一個質子和一個帶電的π介子。

科西超子的這種母粒子衰變成子粒子，子粒子再衰變的過程，被科學家稱為科西超子的級聯衰變。“這種級聯衰變帶有很豐富的自旋極化資訊，可以通過其精確測量超子和反超子衰變的不對稱性，即測量超子衰變中的CP破壞。”李海波説，測量超子衰變中的CP破壞是檢驗標準模型的重要手段。

20世紀60年代以來，國外科學家已經在不同介子系統中發現CP破壞現象，這些發現都與粒子物理的標準模型的預言一致。然而，科學家從未在重子衰變中發現過CP破壞。李海波介紹，在實驗上尋找重子衰變中的CP破壞，對於理解宇宙原初反物質消失之謎有著重要的科學意義。

幸運的是，北京譜儀Ⅲ為測量超子衰變中CP破壞提供了絕佳的條件。

“北京譜儀Ⅲ實驗能夠收集到大量的科西超子，這些正反科西超子都處於量子相干狀態，我們利用這一獨特的量子相干效應，以及科西超子的級聯衰變和自旋極化資訊，以前所未有的精度測量了正反科西超子的不對稱參數，並首次測量了超子衰變中弱相互作用和強相互作用相因子，給出3種CP不對稱性最精確的測量結果。”李海波説，北京譜儀Ⅲ實驗這一創新方法為尋找CP破壞提供了一種全新的視角。

對此，中國科學院院士、高能物理研究所所長王貽芳説：“這是理解正反物質不對稱的一個里程碑，我期待北京譜儀Ⅲ合作組取得更多成就。”

李海波表示，儘管這項研究成果顯示沒有CP破壞的跡象，然而，這一創新方法為科學家未來確認或排除超出標準模型的CP破壞帶來了希望。