而不是反物质,物艺术学家进一步表达物质和反

作者 | 倪思洁《中国科学报》

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我们先来看两个看起来相互矛盾的事实:

近日,欧洲核子研究中心宣布,大型强子对撞机上的LHCb实验发现了D介子的正—反物质不对称性,并表示这项发现“绝对会被写进粒子物理的教科书”。

物理学家进一步证实物质和反物质的不对称性

当我们观测宇宙时,我们看到行星和恒星,星系和星系团,散布在星际间的气体和尘埃等等。我们会发现到处都有着同样的特点。我们会看到原子的吸收和发射线,物质和其它物质之间的相互作用,恒星的诞生和死亡,碰撞等等。

这一发现被CERN研究和计算主任Eckhard Elsen称为“粒子物理学历史上的一个里程碑”。

(陈缮真:意大利核物理研究院)在欧洲核子研究中心的LHCb实验今日(2019年3月21日)在Rencontres de Moriond会议上和一个特别的CERN研讨会上同时宣布,他们发现了D0粒子的正-反物质不对称性,或称为电荷-宇称不守恒。这是一个在粒子物理发展历史上的里程碑式的研究结果,也必将改写粒子物理学的教科书。

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电荷-宇称变换将粒子与其镜像中的反粒子互换

“电荷-宇称”变换是指一个粒子与其镜像反粒子之间的变换。粒子物理学标准模型中的弱相互作用可以在在电荷-宇称变换中引入一点微小的差异,进而使得正反物质在宇宙中的行为略有不同。而这一点点微小的差异正是解释宇宙中几乎只存在正物质的关键之所在。

在星系中的恒星、星系、气体和尘埃都是由物质构成的。(© Hubblesite)

科学家到底发现了什么?这次发现为什么这么重要?为了解开这些问题,《中国科学报》专访了中国科学院高能物理研究所副研究员李一鸣和意大利核物理研究院博士后陈缮真。

在宇宙大爆炸之初,宇宙是一个炽热的纯能量奇点。随着宇宙的膨胀与冷却,宇宙中的能量转化成了大量的正-反粒子对,此时正反物质总量是一样多的。

接着,我们看第二个事实:

“地图”与“不对称”

随着宇宙冷却与膨胀的加剧,大量的正-反粒子又重新彼此结合,湮灭为光子,成为了至今遍布宇宙中的微波背景辐射。然而在这个过程中,正反粒子的行为出现了些许不同,每十亿个正反粒子湮灭的过程中,有了一个正物质粒子被留了下来。正是这十亿分之一残留的正物质,使得如今宇宙不是空无一物,也组成了当今宇宙中所有的物质。

我们观测过的所有粒子之间的相互作用,无论是在什么能量等级,当一个粒子被制造或摧毁的时候,总是会伴随着一个反粒子被制造或摧毁。物质和反物质之间严格遵守着物理对称。例如,每当一个夸克(或轻子)被制造(或摧毁)的时候,也会有一个反夸克(或反轻子)被制造(或摧毁)。也就是说,在宇宙大爆炸后,粒子和反粒子应该等量地产生。

虽说科学研究是一个依赖想象力的工作,但粒子物理学家也并非天马行空。他们手上有一张“地图”——粒子物理标准模型,描述了强相互作用、弱相互作用及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。

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粒子物理标准模型示意图(来源:中科院高能物理研究所官网)

物理学家进一步证实物质和反物质的不对称性

(a)成对产生:光子相遇时会产生一个粒子和一个反粒子;(b)湮灭:当一个粒子和反粒子相遇会通过光子的形式释放能量。(© Dmitri Pogosyan)

然后,他们按图索骥解释未知,并将这张地图越画越细。

为何犹如镜像一般的正反物质会有不一样的表现?这是粒子物理学家们几十年来所一直探求的问题。

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按照这张“地图”,科学家解释了“世界是怎么形成的”。

1956年,由李政道与杨振宁理论预言,并由华裔物理学家吴健雄实验证实,发现了正反粒子的“宇称”不守恒。也就是在微观粒子世界,“左”与“右”并不完全相等。而在1964年,詹姆斯o克罗宁和瓦尔o菲奇在中性K粒子的衰变中发现了电荷-宇称联合对称性破缺,这揭示了正反粒子行为的微小差异。这个发现对当时的粒子物理学带来了巨大的冲击,也为粒子物理学和宇宙学的核心问题打开了大门。

我们知道,当物质和反物质相遇的时候,比如质子和反质子相遇,会导致两者湮灭,而释放出高能光子。但是,我们没有观测到在大尺度下物质和反物质之间发生的湮灭。我们没有看到任何证据表明行星、恒星或星系是由反物质构成的。所有的证据都表明,宇宙中的万物都是由物质构成的,而不是反物质。(如果你想了解更多反物质,可查看《关于反物质你可能想要知道的10件事》。)

陈缮真告诉记者,在宇宙大爆炸之初,宇宙是一个炽热的纯能量奇点。随着宇宙的膨胀与冷却,宇宙中的能量转化成了大量的正反粒子对,此时正反物质总量一样多。接着,大量的正反粒子重新彼此结合,湮灭为光子,这个过程经过了长久的反复,其能量最终成为了至今遍布宇宙中的微波背景辐射。然而在这个过程中,正反粒子的行为出现了些许不同,每十亿个正反粒子湮灭的过程中,有一个正物质粒子被留了下来,并最终组成了当今宇宙中所有的物质。

1973年,在物理学家卡比博的研究的基础上,小林诚和益川敏英建立了卡比博-小林-益川矩阵,给出了电荷-宇称不守恒存在的必要条件,并在第二代夸克尚未完全发现的情况下预言了第三代夸克的存在。三代夸克的模型与轻子和相应的相互作用一起,奠定了如今粒子物理学标准模型的基础。

所以,一方面我们从实验结果中看到,当我们制造或摧毁物质时,肯定会有等量的反物质被制造或摧毁。另一方面,我们知道你、我和宇宙间的所有物体都是由物质组成的。

或许,这起初只是科学家的一种想象,不过,随后他们真的找到了证据。

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如果在物质和反物质之间的物理定律完全对称,那为什么今天看到的宇宙都是由物质构成的?这个问题被称为重子数产生(Baryonesis),是基本物理学中最大的未解之谜之一。当然,如果不是这样的话,我们也不会存在,更不会提出这样的疑问。

1956年,30岁的李政道和34岁的杨振宁在《质疑弱相互作用中的宇称守恒》一文中提出“宇称不守恒定律”,质疑了传统的宇称守恒定律,认为宇称在弱相互作用中是不守恒的。

物理学家进一步证实物质和反物质的不对称性

注:重子是指由三个夸克或反夸克组成的复合粒子,比如构成生活中一切物质的质子和中子。重子数则是粒子物理学中定义的一个量子数,用字母B表示。重子的重子数为 1,反重子的重子数为-1,其它粒子如轻子和介子的重子数为0.

“宇称不守恒”是指在微观世界中“左”和“右”居然不对称。“比方说,微观粒子都有一种属性叫螺旋度,可以分为左旋和右旋。然而,一种叫做中微子的微观粒子却全是‘左撇子’,世界上只有左旋中微子,没有右旋中微子。”陈缮真说。

1974年,伯顿o里克特和丁肇中的团队分别同时发现了第二代夸克中的缺席者——璨夸克。之后,第三代夸克中的底夸克与顶夸克分别于1977年和1995年在加速器中发现。至此,三代夸克的六种“味道”被全部发现。

面对这个问题,我们现在有两个选项:要么是宇宙诞生的时候物质就比反物质更多;要么就是在炽热和致密的宇宙早期发生了什么,从而导致物质和反物质(一开始都没有)之间的不对称。虽然我们不能排除前者的可能性,但是我们无法验证它,除非我们能够重演宇宙大爆炸。但如果后者是正确的,我们就可以想办法找出答案。

在李政道和杨振宁之前,粒子物理学家确实已证实强相互作用和电磁力中的宇称守恒,不过,弱相互作用中宇称守恒一直没能得到证实。

进入新世纪之后,底夸克系统中的电荷-宇称不守恒的现象被BaBar实验和Belle实验于2001年发现。由于第一代夸克质量太轻太过稳定,而顶夸克寿命太短无法形成强子,到今天之前,强子衰变中电荷-宇称不守恒的现象唯一的一块缺失的一片拼图就是璨夸克系统中的电荷-宇称不守恒。

1968年,科学家迈出了重要的一步,苏联物理学家Andrei Sakharov意识到,如果宇宙满足三个条件,那么物质/反物质不对称就是不可避免的。这三个条件分别是:

这篇质疑传统的论文,让李杨二人在第二年就登上了诺贝尔物理学奖的领奖台。

而今天,这块缺失的拼图被找到了。

偏离热平衡。

“李—杨假说”得到验证后,科学家开始研究“电荷—宇称不守恒”,深入探索正反物质之间到底存在怎样的差别。

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存在破坏C对称(电荷共轭对称)和CP对称(电荷共轭与宇称联合对称性)的相互作用。

“电荷—宇称不守恒是说某个粒子衰变的行为居然和它的反粒子不一样,比方说左旋中微子和右旋反中微子之间的差异。”陈缮真说。

物理学家进一步证实物质和反物质的不对称性

而不是反物质,物艺术学家进一步表达物质和反物质的不对称性。存在破坏重子数守恒的相互作用。

期待已久

为了寻找璨夸克系统中的电荷-宇称不守恒,研究人员用了大型强子对撞机上的LHCb实验在2011年到2018年间采集的所有数据中数千万个D0粒子和它的反粒子的K或π粒子衰变事例来寻找正反粒子衰变中的微小差异。

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在粒子物理学家的“地图”上,有一类参与弱相互作用的基本粒子名为“夸克”。

这一前所未有的大数据量,带给了这一测量空前的灵敏度。在今天公布的研究结果具有5.3标准偏差的统计显着性,超过粒子物理学家用于声明发现的5个标准偏差的阈值。该测量将激发理论学家的工作,并为未来利用璨夸克粒子寻找电荷-宇称不守恒起源的研究打开了大门。​​​

宇宙不断地在膨胀和冷却。(© E.Siegel)

夸克共分6种,按照理论预期,在其中3种组成的强子系统中,可以观测到电荷—宇称不守恒现象,这3种夸克分别是奇夸克、粲夸克、底夸克。

9778818威尼斯官网,而不是反物质,物艺术学家进一步表达物质和反物质的不对称性。第一个很容易达到。如果宇宙是广袤,膨胀和冷却的,并且由广义相对论和量子场论支配,那么就已经创造了一个热平衡偏离的状态!记住,平衡是指在一个系统里所有的粒子之间都有机会相互交流,或者说交换信息。但是,在一个膨胀,冷却的宇宙中,在宇宙的一边和另一边的粒子之间是没有因果接触的;事实上,在早期的宇宙中就有许多区域之间都是因果不接触的,甚至连光也没有足够的时间从一个区域传播到另一个区域。

上世纪60年代,科学家在含有一个奇夸克的K介子中最早观察到了电荷—宇称不守恒;本世纪初,美国和日本的B工厂又发现了含有一个底夸克的B介子中的电荷—宇称不守恒,证实了导致世界上存在六种夸克的机制。

我们再来看第二个条件。C对称关心的是如果电荷对换了会发生什么。我们知道粒子和它的反粒子有完全相同的质量,但电荷却相反。通过一个电荷共轭的操作,相当于在一个物理过程中把所有的粒子用相应的反粒子替代。我们可以想象一个由反物质构成的反世界。根据电荷共轭对称推断,我们的世界和反世界的物理定律应该完全一样。但如果C对称被违反了,粒子和反粒子之间的行为就会相反!观测表明,在弱相互作用(包括放射性衰变),C对称是可以被破坏的。

“介子就是一种由一个正夸克和一个反夸克组成的粒子,标准模型中有很多种由不同夸克组成的介子。”陈缮真说。

弱相互作用破坏电荷共轭不变性:所有的中微子都是左手的,没有右手中微子的存在。所有的反中微子都是右手的,没有左手的反中微子存在。(© E. Siegel)

这两次发现分别获得了1980年和2008年诺贝尔物理学奖。

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于是,含粲夸克介子的电荷—宇称不守恒成了预料之中、却迟迟得不到实验检验的现象。

P对称是指镜像对称,也被称为宇称不变性。当你照镜子的时候,镜中的你跟现实中的你正好左右相反。如果你举起右手,镜像中的你就会举起左手。现在想象有一个镜像宇宙,在这个宇宙中所有的东西都是相反的。在这个宇宙的我们都是左边驾驶的,太阳会打西边升起,从东边日落等等。但基本上没有任何其它东西会改变,事实上我们只要把左边和右边的概念对换一下就会跟我们身处的这个宇宙没有任何区别。在大多数情况下,自然并不区别左和右,宇称是守恒的。这样的情况维持到了1956年,直到杨振宁和李政道提出了在弱相互作用中宇称不守恒。

LHCb实验的目的之一,就是研究电荷—宇称不守恒现象,深入理解宇宙中正反物质不对称性的来源。

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“与奇夸克和底夸克比起来,粲夸克组成强子系统中的电荷—宇称不守恒效应实验验证困难得多。”李一鸣说。

一个逆时针转的介子(左上)衰变并往北射出电子。在P变换下(右上),介子顺时针衰变并往北射出电子;在C变换下(左下),逆时针转的反介子衰变并往北射出电子;在CP联合变化下(右下),该粒子变成顺时针的反介子衰变,并往北射出电子。(© E. Siegel)

正因如此,一直以来,B工厂、LHCb等有条件的实验组,都在苦苦寻找蛛丝马迹。

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终于,LHCb的科学家通过研究中性D介子,找到了粲夸克系统中物质—反物质不完全对称的证据。

宇称和电荷共轭都被破坏了,那么有没有这样一种可能性:如果我们能够建造一个魔镜,它不仅能反射左和右,还能把粒子变成反粒子,那么自然有没有可能在宇称(P)和电荷共轭(C)的联合操作下不变。好景不长,在1964年的时候科学家也找到了CP对称被破坏的证据。

中性D介子由一个粲夸克和一个反上夸克粒子构成,是最轻的含有粲夸克的介子。

在自然界中,我们观测到了粒子,比如重夸克衰变的时候违反CP守恒。但是我们从来没观测到Sakharov提出的第三种条件:存在破坏重子数的相互作用。尽管,更严格的说是,标准模型只规定 B - L 守恒,或重子数(B)减去轻子数(L)。根据粒子物理学的标准模型,我们知道它可以——不,是必须——存在破坏重子数守恒的相互作用。

“从发现D介子至今已有40年,粒子物理学家早就怀疑D介子系统中也存在电荷—宇称不守恒,但直到现在,通过充分的实验数据样本,LHCb合作组才最终看到这种不对称效应。”Elsen在宣布新成果时说。

下面我要给你们看的是支配粒子物理学标准模型的场方程:

为了观察到电荷—宇称不守恒现象,LHCb研究人员使用LHC在2011年至2018年期间提供给LHCb的所有数据,寻找D介子和它的反粒子的衰变。

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“LHCb经过数年积累,以前所未有的大量数据和实验精度,首次发现粲夸克组成中性介子衰变中的电荷—宇称不守恒现象。可以说,这是个物理学家期待已久的发现。”李一鸣说。

格拉肖-温伯格-萨拉姆的弱电统一模型中的拉格朗日量。(© Max Planck Institute for Nuclear Physics Heidelberg)

看不见的世界

不要太在意细节,重要的是这个方程告诉我们重子数守恒是可以被破坏的。事实上,它明确地允许重子(比如质子)数和轻子(比如电子)数必须同时一起被破坏,这就意味着宇宙必须有同样数量的重子和轻子!(这几乎解释了为什么有相同数量的质子和电子,因此即使宇宙拥有带电的质子和电子,但依然是电中性的。)

LHCb研究组表示,此次发现的研究结果具有5.3标准偏差的统计显着性,超过了粒子物理学家用于声明发现的5个标准偏差的阈值。

当然,问题是我们要知道这三个条件的量。我们是否有足够的重子数破坏?

在粒子物理领域,新发现成立的阈值一般在5个标准偏差,或称“5—西格玛”,这个数值越高,就说明发现的证据越坚实。5个标准偏差表示新发现的置信度可以达到99.9999%。

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“该测量将激发理论学家的工作,并为未来利用粲夸克粒子寻找电荷—宇称不守恒起源的研究打开大门。”陈缮真说。

在不同标准模型的扩展中的电子偶极矩。(© Gabrielse group and D. DeMille)

不过,陈缮真也表示,迄今为止发现的弱相互作用中的电荷—宇称不守恒,似乎仍然不足以解释宇宙中的正反物质的总量差异,所以,可能还会有新的物理根源,这将会是留给未来物理学家的问题。

就我们目前所知,答案似乎是不够。或许在高能量的情况下,标准模型中存在更多破坏CP对称的相互作用,只是我们还没有发现而已。但物理学家更偏向于认为答案隐藏在超越标准模型的新理论中。在许多标准模型的扩展理论中,比如新的弱电物理、高能轻子物理、超对称或大统一理论,都预言了大量重子数破坏的可能。

目前,尽管粒子物理标准模型一直凭借着强大的洞察力,成为粒子物理学家最值得信赖的“地图”,但长期以来,特别是在希格斯粒子被发现之后,粒子物理学界一直在试图寻找超出粒子物理标准模型的新现象,尝试重新打造一张更好用的“地图”。

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“我们现在提到的基本粒子和粒子物理标准模型,是在一定条件下对客观世界规律的科学描述,描述了一些已知现象,进而预言新的现象,并被一个个地验证。”李一鸣说。

宇宙的不同时期,包括下文会提到的最早期的普朗克时期,以及之后的大统一时期和电弱时期。(© ESA)

有趣的是,关于模型中所提到的“夸克”“介子”是否真实存在,粒子物理学家还是愿意选择相信。

这些理论或许能够帮助我们回答重子数产生的问题:

“每一个带电粒子在穿过探测器的时候都会留下相应的径迹,并被探测器记录下来。我们认为,探测器记录下的径迹是真实存在的,这些粒子及其衰变也是真实存在的。”陈缮真说。

1. 轻子数不对称产生机制(Leptogenesis):该假设认为在宇宙早期炽热的环境中充满了中微子的堂兄(较重)。它们更倾向于衰变成反轻子,而不是轻子(轻子包括电子、中微子等)。通过高温量子隧穿事件,即sphaleron过程,多余的反轻子会转换成我们今天看到的过量的重子。许多实验正在寻找这些罕见的衰变,希望能告诉我们重的中微子是否存在。

“它们也许离日常生活经验有些远,但其衰变产物在粒子探测器里一次次击中硅微条产生的电信号,或在晶体里留下的闪光,却是再真实不过了。”李一鸣说。

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《中国科学报》 (2019-03-28 第1版 要闻)

通过Sphaleron过程产生重子。(© arXiv:1206.2942)

2. 电弱重子数产生机制(Electroweak baryogenesis, EWBG):这是解释宇宙中重子不对称最具有吸引力和前景的理论之一。从名字就可以猜出,EWBG是指任何在宇宙早期电弱相变时期产生的重子密度不对称的机制,但只有在EWSB是一级相变的情况,类似水分蒸发。在空间中,布满了一个场的能量泡,这个场就是希格斯场。在能量泡外的空间的反轻子会通过sphaleron过程转化成重子。而在泡里面的空间就不会。从希格斯的质量我们知道,EWSB的温度过低不足以产生一级相变。但是,如果在高能下我们能够找到类似希格斯的粒子,这个理论就是可行的。

3. Affleck-Dine机制:超对称理论假设标准模型中的每个基本粒子都有一种被称为超对称伙伴的粒子与之匹配。如果这个理论正确,那么在宇宙暴胀期间,已知粒子的超对称伙伴会进行CP破坏衰变,从而产生过量的重子。但到目前为止,大型强子对撞机都没有找到任何超对称粒子。

4. 普朗克/大统一重子数产生机制(Planck/GUT-scale baryogenesis):重子数产生或许发生在接近时间的开端,在触不可及的高能下,即大统一尺度或普朗克尺度。在那个尺度下,标准模型不再适用。对质子衰变的测量或许有一天能够帮助我们理解大统一尺度的物理定律,但如果重子数产生发生在普朗克尺度,我们或许永远无法用实验发现或验证其背后的机制。

Sakharov提出的三个条件肯定存在于我们的宇宙之中,我们需要回答的唯一问题是“要怎么得到今天所观测到的物质-反物质不对称的量?” 虽然我们还没有得到完整的答案,但我相信在不久的将来,这是众多关于“从何而来”的问题里可以被解决的一个。

参考文献:

【1】G. Steigman (2007). "Primordial Nucleosynthesis in the Precision Cosmology Era". Annual Review of Nuclear and Particle Science. 57: 463–491.

【2】

【3】Affleck, I.; Dine, M. (1985). "A new mechanism for baryogenesis". Nuclear Physics B, Particle Physics. B249 (2): 361–380.

【4】

文/正恩/原理(ID:principia1687)

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