為什麼宇宙由物質主宰?LHC 實驗再一里程碑,發現新 CP 破壞現象!

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 22 日 16:38 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

宇宙中物質與反物質為什麼明顯不對稱?物理學家找了許久的答案,現在世上最強大的粒子加速器──大型強子對撞機(LHC)新實驗讓我們離真相更進一步了。



根據大爆炸理論預測,宇宙形成初期正反物質應該一樣多,然後正反物質隨即結合湮滅、釋出高能光子,換句話說,會形成一個沒有正反物質、只有光子的宇宙。然而事實是,我們的宇宙充滿物質,找不到反物質蹤跡,「正反物質明顯不對稱」成了物理學最大難題之一。

直到 1964 年美國兩名物理學家詹姆斯·克羅寧、瓦爾·菲奇,首度在實驗中發現含有奇夸克的 K 介子衰變過程出現 CP 破壞(charge-parity violation、CP violation)現象,科學家才開始有個正當解釋:反物質不見可能與 CP 破壞有關。

所謂 CP 破壞,顧名思義指一切物理定律本該遵守的 CP 對稱性被破壞了。C 對稱是「電荷共軛對稱」,P 是宇稱(在三維座標系中的維度翻轉),早期物理觀念認為,所有物質相互作用時,經過 C、P 轉換後應該如同鏡子般對稱,目前,電磁作用、重力作用、強交互作用都遵守 CP 對稱,然而在弱交互作用下,CP 對稱被微妙的打破了。

到了 20 世紀初,美國 SLAC 國家加速器實驗室與日本高能加速器研究機構再度發現,含有反底夸克的 B 介子衰變過程也出現 CP 破壞,我們離反物質不見的真相似乎更進一步,然而,光是只在這些粒子中發現 CP 破壞,仍不足以解釋如今宇宙的物質-反物質差距之大。

(Source:CERN

現在,大型強子對撞機(LHC)的 LHCb 實驗首度觀測到 D 介子(細講的話是D 0 介子)也出現 CP 破壞,確定性高達 99.999%!同時,這也是科學家第一次在含有魅夸克的粒子中發現 CP 破壞。

介子由 1 個夸克和 1 個反夸克組成,而 D 介子是所有含魅夸克粒子中最輕的一組粒子。在 D 介子中,魅夸克衰變成 1 個奇夸克及 1 個 W 玻色子,W 玻色子接著衰變成 K 介子與 π 介子。

其實自 40 多年前發現 D 介子以來,粒子物理學家便一直懷疑 CP 破壞也會發生在 D 介子系統中,但反應太過微弱,需要極龐大數據才能找出結果,LHCb 團隊收集了 2011~2018 年間實驗的完整數據集,才終於抓到 D 介子也發生 CP 破壞現象。

該實驗由紐約雪城大學物理學教授 Sheldon Stone 領導,可能引出粒子標準模型之外的新規則。雖然物質主導宇宙的結果不能只靠夸克行為解釋,但隨著物理學家證實新的 CP 破壞現象,將幫助理解究竟為何宇宙中天然的反物質那麼少。

(首圖來源:CERN