一個深刻的宇宙謎題

1928年，物理學家狄拉克（Paul Dirac）提出了關于電子運動的理論，預言了電子的反粒子——正電子的存在。自那之后，所有已知基本粒子的反粒子，以及由夸克組成的強子的反物質對應物，都陸續在高能粒子加速器實驗或宇宙線中被觀測到。

然而，盡管驗證了反物質在微觀世界中確實存在，但天文學觀測表明：在整個可觀測宇宙中，所有恒星和行星都仍然是由普通物質構成的。反物質的存在極為稀少，幾乎可以忽略不計。

這就構成了一個深刻的宇宙學難題：根據宇宙學模型，如果宇宙起源于大約138億年前的大爆炸，那么在大爆炸后，宇宙中應當產生了等量的物質與反物質，而當它們相遇時會全部湮滅，只留下能量。但這顯然沒有發生，否則我們今天也不會看見恒星、行星，甚至是生命了。究竟是什么導致了物質和反物質之間的輕微不對稱性，使今天我們看到的宇宙幾乎完全由物質組成？

打破對稱性

早在1967年，物理學家薩哈羅夫（Andrei Sakharov）就提出，如果宇宙滿足幾個條件那么就有可能演化出一個由物質主導的世界，其中一個條件是電荷共軛-宇稱（CP）對稱性必須被打破。

電荷共軛（C）能讓正反電荷互換，將一個粒子轉化為相應的反粒子。例如，對一個電子施加電荷共軛，就會得到一個正電子。宇稱（P）則是讓空間坐標（上下、左右、前后）翻轉的變換，比如宇稱能讓一個以速度v、從左向右移動的電子改變方向，變成以速度-v、從右向左移動。換句話說，宇稱對稱會產生現實的鏡像。

因此，當對一個以速度v運動的電子進行CP變換時，將得到一個以-v速度運動的正電子（即電子的反粒子）。也就是說，對物質實施CP變換，就能得到相應反物質的鏡像。

那么，CP對稱性是否能夠被破壞？實驗告訴我們，答案是肯定的。1957–1958年間，科學家就在實驗中證明了弱相互作用能夠打破P對稱性和C對稱性。1964年，科學家首次在一種中性K介子（介子由夸克與反夸克組成）衰變中觀察到了CP破壞現象。隨后，這種現象也在B介子和D介子中被相繼觀測到。

盡管如此，這些發現還遠不足以解釋為何宇宙中的反物質如此稀少，理論預言的CP破壞強度仍遠低于解釋這一宇宙不對稱所需的程度。

這一背景下，科學家們一直在尋找更多CP破壞發生的“新場所”。近日，歐洲核子研究中心（CERN）的LHCb合作組宣布，物理學家首次明確觀測到了重子衰變中的CP破壞。

新的里程碑。

從介子到重子

理論預言，重子（包括質子、中子等）也會表現出CP破壞，但過去的實驗僅觀察到模糊的跡象。在重子中觀測到CP破壞比在介子中要難得多，一方面是因為效應本身更微弱，另一方面則是因為所需的數據量極大。

在新的研究中，研究人員分析了超過八萬例重子衰變事件，才終于首次明確地看到這些粒子之間的物質-反物質差異。

通常，粒子和它們的反粒子具有相同的質量和相反的電荷。但當它們發生轉變或衰變成其他粒子時，比如原子核發生放射性衰變時，CP破壞就會打破這種鏡像對稱。這個效應可以表現為：粒子和反粒子以不同的速率衰變為更輕的粒子。這種微小差異可通過高靈敏度的探測器和精密的數據分析手段檢測出來。

這次，LHCb合作組觀測的對象是Λb?重子（beauty-lambda baryon），它由一個u夸克、一個d夸克和一個b夸克組成，是質子和中子的“重親戚”。

研究人員篩選了LHCb探測器在LHC第一與第二運行期間（2009–2013年與2015–2018年）采集的數據，尋找Λb?衰變為一個質子、一個K介子以及一對帶相反電荷的π介子的事件，并與其反粒子——反Λb?的對應衰變進行比較。通過統計每種衰變模式的發生次數，他們計算出Λb?和反Λb?之間的差異。

在碰撞中產生Λb?并衰變的示意圖。（圖/LHCb Collaboration）

結果顯示，兩類粒子衰變數之差除以二者之和為2.45%，誤差約為0.47%。這個偏離值在統計上達到了5.2個標準差，高于在粒子物理中認定“發現”的標準閾值。

謎題還未揭開

這是一個新的里程碑。但令人困惑的是：已知的CP破壞強度遠不足以解釋宇宙為何幾乎完全由物質組成而非反物質。這意味著，自然界中可能還存在未知的CP破壞機制——這是當前和未來高能物理研究的關鍵方向。

研究人員表示，觀測到的CP破壞現象越多，測量得越精確，就越有可能在標準模型中發現漏洞，從而揭示新的物理規律。雖然關于宇宙的終極答案仍在遠方，但每一次對稱性的“破裂”，或許正是我們理解宇宙深處法則的鑰匙。

#參考來源：

https://home.cern/news/press-release/physics/new-piece-matter-antimatter-puzzle

https://arxiv.org/pdf/2503.16954

https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2025/03/25/observation-of-the-different-behaviour-of-baryonic-matter-and-antimatter/

#圖片來源：

封面圖 & 首圖：LHCb Collaboration