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  •   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

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