大型強子對撞機底夸克實驗首次觀測到重子CP破壞

記者從北京大學了解到，當地時間2025年3月24日晚，歐洲核子研究中心（CERN）在第59屆國際電弱相互作用和統一理論會議上宣布，大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）合作組首次在重子衰變中觀測到電荷共軛-宇稱聯合變換對稱性破壞（簡稱CP破壞）現象。這一結果有助于我們進一步認知宇宙演化過程，被視為人類探索基本對稱性破壞歷程中一座新的里程碑。LHCb中國研究團隊對這一重大突破作出了關鍵性的貢獻。

138億年前的宇宙大爆炸本應產生等量的正物質與反物質，然而如今的可觀測宇宙幾乎完全由正物質主導。這一謎題被《科學》期刊列入全世界最前沿125個科學問題，其核心可能在于正反粒子行為的細微差異，即CP對稱性破壞。

自1956年李政道和楊振寧提出弱相互作用下宇稱不守恒理論后，對基本對稱性破壞機制的探索一直是粒子物理學前沿的重大科學問題，相關研究成果多次被授予諾貝爾物理學獎。1964年，物理學家首次在含奇異夸克的介子衰變中觀測到CP破壞，此后數十年間相繼在含底夸克、粲夸克的介子體系驗證了這一現象。然而，重子作為構成可見物質的基本單元，六十多年來，人們從未發現其CP破壞的跡象。

相較一對正反夸克組成的介子，由三個夸克組成的重子更為復雜，對其衰變模式的理論預言和實驗觀測難度更高，極具挑戰性。LHCb中國研究團隊與我國理論物理學家密切配合，系統遴選出對CP破壞具有高靈敏度的一系列底重子衰變模式并聯合攻堅，近期取得了重大突破：先是在底重子的三體衰變中發現了CP破壞的跡象，于3月12日作為編輯推薦和亮點論文發表于《物理評論快報》；在本項研究中，又通過海量數據分析和交叉驗證，最終在底重子到質子、奇異介子和正反π介子的四體衰變中確認了正反底重子衰變率的差異，顯著性水平達到5.2倍標準差，從而首次證實了重子系統的CP破壞。相關研究論文已在預印本網站arXiv.org公開發表。

LHCb探測器專為研究含有底夸克、粲夸克的重味強子而設計，其核心任務之一是通過對重味強子的CP破壞、稀有衰變等過程進行高精度測量，以精確檢驗粒子物理標準模型及探索超出標準模型的新物理。LHCb合作組由來自24個國家、100家研究機構的近1800名研究人員組成。自2000年清華大學成為合作組正式成員以來，中國團隊始終專注于重味物理前沿研究，先后吸納華中師范大學、中國科學院大學、武漢大學、中國科學院高能物理研究所、華南師范大學、北京大學、湖南大學、蘭州大學、中國科學技術大學等高校和研究機構加入，在探測器研制和關鍵物理課題研究中發揮越來越重要的作用。

團隊一方面聚焦重味強子產生機制與強子譜學研究，在首次發現五夸克態和雙粲重子等里程碑式成果中擔綱主力；另一方面，近十年來在重味強子CP破壞探索上系統布局，先后取得Bs介子系統CP破壞的高精度測量、B介子到粲偶素衰變直接CP破壞的首個跡象等重要成果，繼而率先叩開重子CP破壞之門。

此次發現重子衰變中的CP破壞，不僅驗證了粒子物理標準模型的預言，更為探索超越標準模型的新物理現象開辟了嶄新的路徑。隨著大科學裝置迭代升級、前沿技術集中涌現、實驗性能日益提升，科學家有望在更高的精度下解析CP破壞機制，重構138億年前決定物質存續的關鍵瞬間，早日解開宇宙中正反物質不對稱之謎。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.101802

https://arxiv.org/abs/2503.16954