北京譜儀III(BESIII)合作組實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，為研究物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱性提供了極靈敏的實(shí)驗(yàn)探針。相關(guān)成果6月2日發(fā)表在《自然》。

圖片來自《自然》

BESIII探測器是我國自主研發(fā)的大型高能實(shí)驗(yàn)裝置、位于北京正負(fù)電子對撞機(jī)上的探測器。它關(guān)注兩個(gè)科學(xué)問題：“夸克如何組成物質(zhì)粒子”和“宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的起源”。BESIII國際合作組成立于2008年，是目前國內(nèi)正在運(yùn)行的最大國際合作組，由來自亞洲、歐洲和美洲等17個(gè)國家、80個(gè)研究機(jī)構(gòu)中約500名科學(xué)家組成。

此前有一個(gè)問題困擾了科學(xué)界半個(gè)多世紀(jì)：盡管在宇宙大爆炸之初應(yīng)該產(chǎn)生等量的正反物質(zhì)，為什么宇宙卻只有物質(zhì)組成而非反物質(zhì)？

物質(zhì)和反物質(zhì)遵循不同的規(guī)律嗎？粒子衰變?yōu)檠芯空次镔|(zhì)不對稱性提供了重要線索：如果粒子和反粒子的衰變模式存在差異，那么這些差異可能是導(dǎo)致今天豐富物質(zhì)世界形成的原因。

然而，由于粒子衰變通常是由多種相互作用誘導(dǎo)發(fā)生的，比如一種類似質(zhì)子的短壽命粒子叫做科西超子，它的內(nèi)部含有兩個(gè)重的奇異夸克和一個(gè)輕夸克，帶一個(gè)負(fù)電荷，其衰變過程中既有弱也有強(qiáng)作用發(fā)生，如何識別是哪種作用導(dǎo)致正反物質(zhì)衰變行為不同呢？

對此，科學(xué)家們將正粒子和反粒子衰變過程不一樣的現(xiàn)象，稱為“CP破壞”。

“CP破壞”的名字，與著名物理學(xué)家李政道、楊振寧、吳健雄密切相關(guān)。李政道、楊振寧二人提出的“宇稱不守恒定律”認(rèn)為，粒子的弱相互作用中存在“鏡像”空間反射不對稱性。1956年，吳健雄用實(shí)驗(yàn)證明了宇稱不守恒定律。理論被“吳實(shí)驗(yàn)”證實(shí)后，楊振寧、李政道獲得1957年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

物理學(xué)家楊振寧（中）、李政道（左）以及實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家吳健雄（右）

在前述基礎(chǔ)上，科學(xué)家們總結(jié)出了“CP破壞”?！癈P破壞現(xiàn)象，可以用來解釋為什么我們的世界中只有正物質(zhì)，沒有反物質(zhì)?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所所長、中國科學(xué)院院士王貽芳說道。

自上個(gè)世紀(jì)60年代以來，國外科學(xué)家已相繼在介子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了CP破壞?？烧次镔|(zhì)的不對稱性并沒有得到完美解釋。王貽芳表示，“在構(gòu)成世界的主要粒子中，介子數(shù)量很少，介子衰變時(shí)多出來的正物質(zhì)并不足以形成現(xiàn)在的世界?！?/p>

與數(shù)量稀少的介子不同，重子是構(gòu)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(zhì)消失之謎?！?/p>

但科學(xué)家此前未在重子衰變中發(fā)現(xiàn)過CP破壞。王貽芳認(rèn)為，原因在于“弱衰變信號有時(shí)會(huì)被強(qiáng)相互作用掩蓋。所以要想看到重子的CP破壞，就需要有足夠高的靈敏度和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方法，把弱相互作用與強(qiáng)相互作用的信號區(qū)分開來。”

超子作為重子中的一種，類似于質(zhì)子，但壽命很短。由兩個(gè)奇異夸克和一個(gè)輕夸克組成的科西超子，當(dāng)其奇異夸克發(fā)生弱衰變時(shí)，它便消失了。超子衰變被科學(xué)家視為“尋找CP破壞的一個(gè)很有希望的狩獵場”，因?yàn)樗鼈兊摹白孕狈较蚩梢酝ㄟ^其“子粒子”的衰變直接測量。

北京譜儀III探測器側(cè)面照，圖片來自中國科學(xué)院高能物理研究所

從2009年起，BESIII實(shí)驗(yàn)從正負(fù)電子對撞出的“碎片”中，收集到了約100億J/psi粒子。J/psi粒子會(huì)衰變產(chǎn)生正-反科西超子，之后，正-反科西超子還會(huì)繼續(xù)衰變、消失。

BESIII實(shí)驗(yàn)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，重建出約7萬多個(gè)正-反科西超子對。BESIII成為一個(gè)干凈、小巧的科西超子“工廠”：“干凈”在于本底污染率小于千分之一水平；“小”是由于BESIII實(shí)驗(yàn)中，超子產(chǎn)額并不算多；“巧”是因?yàn)锽ESIII實(shí)驗(yàn)的敏感度足夠高。

“我們的超子產(chǎn)額只有美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室一個(gè)叫HyperCP實(shí)驗(yàn)產(chǎn)額的千分之一，但單事例的敏感度是HyperCP單事例的一千倍。”BESIII實(shí)驗(yàn)發(fā)言人、中科院高能物理研究所研究員李海波說。

早先，BESIII合作組成員發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象：“量子糾纏”。

于是，北京譜儀III(BESIII)實(shí)驗(yàn)首次利用處于量子糾纏的正反科西超子對的級聯(lián)衰變，成功地把導(dǎo)致正反物質(zhì)不對稱的弱作用力從強(qiáng)作用力中分離出來，這一創(chuàng)新方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起該領(lǐng)域國際同行的關(guān)注。

在BESIII實(shí)驗(yàn)中，電子與其反粒子正電子碰撞的能量是其固有質(zhì)量的上萬倍。在碰撞中，電子和正電子湮滅，并從釋放的能量中產(chǎn)生其他粒子或粒子對。

科研人員利用正反科西超子的“自旋”信息和量子關(guān)聯(lián)來揭示正反物質(zhì)不對稱性，即“CP破壞”。考慮成對的正反超子級聯(lián)衰變，可以把強(qiáng)力和弱力的貢獻(xiàn)分開，導(dǎo)致對CP破壞測量的敏感度顯著提高。BESIII實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新方法為尋找CP破壞提供了一種全新視角。

正反科西超子級聯(lián)衰變演示圖：如果物質(zhì)和反物質(zhì)遵循相同的物理法則，科西超子與反科西超子的衰變應(yīng)該是鏡像對稱的，只是空間坐標(biāo)是相反的；鏡像之間紐帶連接表示正反超子的量子關(guān)聯(lián)，圖片來自中國科學(xué)院高能物理研究所

“新的方法解決了30年來不能同時(shí)高效率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(jié)果。”李海波說。

盡管《自然》一文中給出的結(jié)果顯示沒有CP破壞的跡象，但前述創(chuàng)新方法為科學(xué)家未來確認(rèn)，或者排除超出標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞來源帶來了希望。

“這是理解正反物質(zhì)不對稱性的一個(gè)里程碑，我期待北京譜儀III合作組將取得更多成就。”王貽芳說道。

新方法的發(fā)現(xiàn)還得到了國際匿名評審的認(rèn)可。有匿名評審點(diǎn)評：“即使尚未發(fā)現(xiàn)CP破壞的新跡象，但方法上的結(jié)果仍然很有趣?！边€有評審認(rèn)為，“新方法為將來的實(shí)驗(yàn)指明了方向，鋪平了道路?！?/p>

目前，北京譜儀III實(shí)驗(yàn)組正在向更高的測量精度發(fā)起挑戰(zhàn)。

“我們希望在不遠(yuǎn)的將來，能夠用這種測量方法發(fā)現(xiàn)超子CP破壞的實(shí)驗(yàn)證據(jù)?！蓖踬O芳表示，BESIII合作組正在分析100億粒子衰變數(shù)據(jù)，測量精度有望再提高三倍左右?！皬?009年開始至今，BESIII實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)表了400余篇研究成果。該探測器計(jì)劃運(yùn)行到2030年?！?/p>

在前述領(lǐng)域，這支由我國主要開展研究的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)也面臨著激烈的國際競爭。

“歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)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?！崩詈２ㄕf道。