“完美的探測器設計”：探索正反物質差異有了靈敏探針

　　北京正負電子對撞機上的北京譜儀III（BESIII）實驗實現了一種全新方法，為研究物質和反物質之間的差異提供了極其靈敏的探針。6月2日，相關研究成果刊發于《自然》雜志。

　　論文所有匿名評審都對這一成果大加贊賞：“創新的測量方法”“很重要”“很新穎”“吸引人”“非常有前景”……到底是什么成果，竟讓匿名評審們如此興奮？

　　不好好“組CP”的反物質

　　“正反物質不對稱性”是困擾科學界半個多世紀的問題，也是粒子物理學家一直在尋找的現象。他們常會提到一個詞——“CP破壞”。

　　“CP破壞”里的“CP”，和我們平時常說的“組CP”里的“CP”（情侶檔）并不是一碼事。

　　130億年前，宇宙在發生大爆炸之后迅速膨脹、冷卻，大量正反粒子彼此結合、湮沒。然而，就像鬧了別扭的情侶一樣，正反粒子在結合湮沒的過程中，行為出現了一些不同。每十億個正反粒子湮沒的過程中，就有一個正物質粒子被留了下來，并最終組成了當今宇宙中所有的物質。

　　科學家將正粒子和反粒子衰變過程不一樣的現象，稱為“CP破壞”。

　　“CP破壞”的名字與李政道、楊振寧密切相關。他們提出并獲得諾貝爾物理學獎的“宇稱不守恒定律”認為，粒子的弱相互作用中存在“鏡像”空間反射不對稱性。

　　在此基礎上，科學家總結出了“CP破壞”。“CP破壞現象可以用來解釋為什么我們的世界中只有正物質，沒有反物質。”中國科學院高能物理研究所所長、中國科學院院士王貽芳告訴《中國科學報》。

　　宇宙原初反物質為何消失？

　　超子CP破壞有望解謎

　　自上個世紀60年代以來，國外科學家已經相繼在介子系統中發現了CP破壞。可是，正反物質的不對稱性并沒有因此得到完美解釋。

　　“在構成世界的主要粒子中，介子數量很少，介子衰變時多出來的正物質并不足以形成現在的世界。”王貽芳說。

　　與數量稀少的介子不同，重子是構成世界的主要粒子。“如果能在重子中找到CP破壞，我們就能夠更好地理解宇宙原初反物質消失之謎。”王貽芳說。

　　遺憾的是，科學家從未在重子衰變中發現過CP破壞，原因在于“弱衰變信號有時會被強相互作用掩蓋”。“所以要想看到重子的CP破壞，就需要有足夠高靈敏度和創新性的實驗方法，把弱相互作用與強相互作用的信號區分開來。”王貽芳說。

　　超子是重子中的一種，類似于質子，但壽命很短，因此不像質子那樣可以存在于我們身邊。在超子中，有一個名叫“科西超子”的成員，由兩個奇異夸克和一個輕夸克組成，當奇異夸克發生弱衰變時，它便消失了。

　　超子衰變被科學家視為“尋找CP破壞的一個很有希望的狩獵場”，因為測量CP破壞時需要的一些信息可以通過超子的衰變直接測量。

　　發現了高精度測量方法

　　從2009年起，BESIII實驗從正負電子對撞出的“碎片”中，收集到了約100億J/psi粒子。這種名叫“J/psi”的粒子會衰變產生正—反科西超子，之后，正—反科西超子還會繼續衰變、消失。

　　BESIII實驗組的科研人員用了100億粒子事例中的13億，分析出了正—反科西超子的誕生過程，重建出7萬多個正—反科西超子對。如此一來，BESIII就成了一個干凈、小巧的科西超子“工廠”。

　　“干凈”是因為本底污染率小于千分之一水平。“小”是因為BESIII實驗中，超子產額并不算多。“巧”是因為BESIII實驗的敏感度足夠高。

　　“我們的超子產額只有美國費米實驗室一個叫HyperCP實驗產額的千分之一，但單事例的敏感度是HyperCP單事例的一千倍。”BES III實驗發言人、中科院高能物理研究所研究員李海波說。

　　在分析數據時，BESIII實驗組的科研人員發現了一種高精度測量超子CP破壞的方法。

　　早先，他們發現，剛衰變出來的正科西超子和反科西超子之間存在一種特殊的現象——“量子糾纏”。于是，利用這種獨特的量子糾纏效應，再結合科西超子其他數據信息，實驗人員不僅從海量數據中同時找出了正科西超子、反科西超子的衰變信號，還以前所未有的精度測量出正—反科西超子的不對稱參數。

　　“新方法解決了30年來不能同時高效地對超子和其反粒子測量的困境，也給出了更豐富的CP破壞測量結果。”李海波說。

　　“這一成果已經引起國際同行的關注，相關研究人員被2021年國際輕子光子大會邀請作大會專題報告，成為這一領域的新星。”王貽芳說。

　　暫未發現新物理現象，將分析更多數據

　　遺憾的是，BESIII實驗組此次的測量結果并沒有顯示出超子的CP破壞跡象。即便如此，新方法的發現依然得到了國際匿名評審的認可。

　　一位匿名評審點評說：“即使尚未發現CP破壞的新跡象，但研究方法上仍然很有趣。”另一位匿名評審認為：“新方法為將來的實驗指明了方向，鋪平了道路。”

　　“這一創新方法為我們未來確認或排除超出標準模型的CP破壞來源帶來了希望。”王貽芳說。

　　抱著這樣的希望，實驗組正在向更高的測量精度發起挑戰。“我們希望在不遠的將來，能夠用這種測量方法發現超子CP破壞的實驗證據。”王貽芳表示，BESIII實驗組正在分析100億粒子衰變數據，測量精度有望再提高3倍左右。

　　目前，這支由我國主要開展研究的實驗團隊面臨著激烈的國際競爭。

　　“歐洲核子中心的大型強子對撞機底夸克探測器（LHC-b）也正在大量制造超子。不過，他們的本底污染率比我們高。”李海波告訴《中國科學報》，BESIII實驗組在測量上的優勢在于BESIII實驗“完美的探測器設計”。

　　BESIII是我國歷史上最早的粒子物理大科學裝置——北京正負電子對撞機上的探測器。它關注兩個科學問題：夸克如何組成物質粒子和宇宙物質—反物質不對稱的起源。

　　王貽芳介紹，從2009年至今，BESIII實驗已經發表了400余篇研究成果。該探測器計劃運行到2030年。

　　作為我國自主研發的大型高能實驗裝置，BESIII實驗吸引了來自17個國家80家科研機構的約500個科研人員，是目前國內正在運行的最大國際合作組。此次發表的新成果由中國科學家和國外合作者共同完成。

　　相關論文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-022-04624-1