原子加速器观察到粲夸克衰变差异助于解释物质存在

来源：前瞻网　2019-03-29 11:11:14

欧洲核子研究中心的LHCb探测器。图片来源：欧洲核子研究中心

在世界上最大的原子加速器中，物理学家们第一次观察到包含粲夸克(charm quark，一种基本的物质组成部分)的粒子和反粒子在衰变过程中的差异。

这一发现有助于解释为什么物质存在。

“这是一个历史性的里程碑，”这项新研究的合作者之一、雪城大学(Syracuse University)物理学教授谢尔顿·斯通(Sheldon Stone)说。

物质和反物质

物质的每个粒子都有一个反粒子，它们的质量相同，但电荷相反。当物质和反物质相遇时，它们会彼此湮灭。但是这样的话问题也来了，宇宙大爆炸本应产生等量的物质和反物质，而所有这些粒子也本应彼此迅速湮灭，只留下纯粹的能量。

但很明显，上述的情况并没有发生。相反，大约有十亿分之一的夸克(构成质子和中子的基本粒子)存活了下来，因此，现在的宇宙也才得以出现。斯通在接受采访时表示，这意味着粒子和反粒子的行为并不是完全相同的，它们应该以略微不同的速度衰变，从而导致现在物质和反物质之间的不平衡。物理学家称这种行为上的差异为电荷宇称不守恒(charge-parity (CP) violation)。

CP不守恒的概念来自俄罗斯物理学家安德烈·萨哈罗夫，他在1967年提出了CP不守恒这个概念，用来解释为什么物质能够在宇宙大爆炸中幸存下来。

斯通说，“这是我们存在的必要条件之一，所以了解CP不守恒的起源很重要。”

夸克有六种不同的类型：上夸克，下夸克，顶夸克，底夸克，粲夸克和奇夸克，它们都有各自的特性。1964年，物理学家首次在现实生活中观察到奇夸克的CP不守恒。2001年，他们在含有底夸克的粒子中也发现了这种现象。(这两项发现都使相关研究人员获得了诺贝尔奖。)物理学家们长期以来一直认为，这种现象也会发生在含有粲夸克的粒子身上，但科学家们从来没有观察到过。

迷人的结果

斯通是大型强子对撞机(LHC)美丽实验的研究人员之一。该实验使用了欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是位于法国和瑞士边境的一个16.5英里(27公里)长的环，它将亚原子粒子加速碰撞，以重现宇宙大爆炸后出现的令人难以置信的能量闪光。当粒子相互碰撞时，它们会分裂成组成粒子的部分，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的组合，特别是D0(“d- 0”)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d0介子是一个反粲夸克和一个上夸克组合而成。

这两个介子都以多种方式衰变，但其中有一小部分最终会成为被称为K中介子或π介子的介子。研究人员测量了D0介子和反D0介子衰变速率的差异，这一测量过程包括进行间接测量，这是为了确保科学家并不是在测量了两个介子初始产量的差异，也不是在测量他们的设备在检测各种亚原子粒子方面的能力差异。

结果显示，这两个介子衰变的比率相差了十分之一个百分点。

斯通说：“这意味着D0介子和反D0介子不会以相同的速度衰变，这就是我们所说的CP不守恒。”

这就让事情变得很有趣了。斯通说，这个衰变差异可能不足以大到解释宇宙大爆炸后发生了什么而导致留下了如此多的物质，但它大到足以令人惊讶。他说，物理学理论家们已经开始继续研究这些数据了。

物理学家依靠一种被称为“标准模型”的东西来解释亚原子尺度下的一切事物。斯通说，现在的问题是，这个标准模型做出的预测是否能够解释该团队不久前对粲夸克作出的测量结果?或者说我们是否需要某种新的物理学才能解释这个测量结果?斯通说，后者将会是最令人兴奋的结果。

他说：“如果这个测量结果只能用新的物理学来解释的话，那么这种新的物理学就可以包含‘CP不守恒从何而来’这个概念。”

研究人员在欧洲核子研究中心的网络直播中宣布了这一发现，并在网上发表了一篇论文的预印本，详细介绍了研究结果。

标签：原子加速器粲夸克衰变差异

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