作者介绍
沈胤发，美国范德瓦尔特大学物理学博士研究生，原华中科技大学物理学硕士研究生。
秦溱，华中科技大学物理学院副教授。主要研究方向：重味物理与CP破坏。
反物质都消失了？
首先，我们需要理解，什么是反物质？普通物质由基本粒子（以下简称为粒子）组成，而反物质是由基本反粒子（以下简称为反粒子）组成的物质，反粒子与粒子的质量相同，但电荷相反。一个典型的例子是，带负电荷的电子 的反粒子为带正电荷的正电子 。当粒子和反粒子相遇时，它们会以完美的效率湮灭为光子，即转化为100%的纯能量。半克反物质与物质湮灭，释放的能量即相当于一颗投掷到广岛的“小男孩”原子弹，足以摧毁一座城市。
图1 正负电子湮灭为光子
接下来，让我们插上想象的翅膀，回到宇宙最初的起点。根据当今的天文学观测和宇宙学理论，物理学家认为，我们所处的宇宙是“炸”出来的。起点亦是“奇点”——根据物理学家的推测，在奇点处，即在“大爆炸”发生时，时空表现出奇异性，温度和密度等物理量趋于无穷大，我们还不理解为什么会发生这样的爆炸，已知的物理定律在这一点上似乎失效了。尽管目前物理学家尚未建立起描述奇点处物理规律的完整理论框架，但对于奇点之后的宇宙演化，我们已有了相当程度的理解。
在大爆炸发生约 秒后，宇宙已经由一个奇点迅速膨胀至一颗西柚这么大（直径约10 cm），并且处在一个温度约为千亿亿亿摄氏度（作为对比，太阳的表面温度只有约五千五百摄氏度）的环境中。在这一初期宇宙中，各种基本粒子及其反粒子——如光子、电子、正电子（电子的反粒子）、甚至是大名鼎鼎的希格斯玻色子等——都在不断发生激烈的碰撞，产生并湮灭。
图2 宇宙的演化历史
宇宙不断膨胀，形象地说，就如同一口越来越大的“锅”，里面沸腾着“基本粒子汤”。在这口剧烈沸腾的“汤”里，各种粒子及其反粒子互相搅拌着，保持动态平衡。随着宇宙不断扩大，温度逐渐降低，“汤”也逐渐冷却后。出于对称性的考虑，“汤”里粒子和反粒子的浓度应该是相等的。
如果这些数量相等的正反粒子完全互相湮灭成光子，那么宇宙中就只剩下光子在孤零零地跑着——它不会欣赏到跳着优雅维也纳华尔兹的脉冲双星，不会遇见锻造金属的“宇宙炼金术师”恒星，也不会赶上“一鲸落而万物生”的超新星葬礼，更不会在138亿年后，被一个名为“人类”的会思想的芦苇所捕捉到，解码它身上所蕴藏的远古信息。那将会是一个多么冰冷而又无趣的宇宙！
我们今天看到的是一个深邃又多彩的宇宙。因此，可以推测，必定存在某种机制，使得粒子和反粒子的行为出现了差异，从而产生了不对称性，导致物质在这场史诗般的对决中战胜了反物质，塑造了今天这个璀璨壮丽的宇宙。那么，这究竟是什么样的机制呢？
前苏联物理学家萨哈罗夫（Sakharov）曾对此进行过先驱性研究，他指出，要产生这种正反物质的不对称性，必须满足三个关键条件[1]：（1）存在使重子数不守恒的相互作用，即反应前后的重子数不相等；（2）脱离热平衡，从而正反物质的不对称性不会因被“搅匀”而消除；（3）存在C和CP对称性破坏。[注：萨哈罗夫曾参与前苏联核武器的研制，后来转而反对核武器扩散，是一位类似于美国的奥本海默（Oppenheimer）那样的科学家。]
图3 爱因斯坦与奥本海默（左）；萨哈罗夫（右）
二、CP对称性及其破坏
什么是C和CP破坏？简单来说，它是指在粒子相互作用中，一种离散对称性被打破的现象。更具体地说，C代表“电荷共轭变换”（Charge Conjugation），亦即将某个粒子转变为其反粒子，例如，将带负电的电子变为带正电的正电子，或者将带正电的质子变为带负电的反质子。而P则是“宇称变换”(Parity)，它涉及空间方向的翻转，比如将向左的箭头变为向右的箭头。
因此，CP变换就像是让一个粒子照一个“魔镜”，这个“魔镜”除了像普通镜子一样让其左右翻转，还会将粒子变成其反粒子。按照传统的经验，粒子与“魔镜”中的反粒子会做着类似的动作。如果存在某些原因，使得镜子内外的世界表现出截然不同的行为，那将会是一个匪夷所思却又极其有趣的现象。
图4 C、P以及CP变换（左）；CP破坏（右）
在物理学史上，最早被发现破缺的离散对称性是P对称性。当时，物理学家们面临着一个谜题：有两种粒子，它们在衰变过程中表现出相反的宇称，但在其他性质上却又极为相似，这就是著名的“ ”之谜。而解开这个谜题的，正是李政道和杨振宁两位先生。他们在查阅了大量资料并反复论证后，大胆假设，这两种粒子实际上就是同一个粒子，只是在弱相互作用中宇称不守恒，因此表现出截然不同的衰变模式[2]。
当时，许多著名物理学家对这一猜想表示怀疑。量子力学的奠基人之一、1945年诺贝尔物理学奖得主、被称为“上帝之鞭”的泡利曾说道：“我不相信，上帝是个弱的左撇子。”然而，戏剧性的是，科学的突破往往来自于那些最不被看好的地方。宇称破缺的猜想引起了实验物理学家吴健雄女士的关注。她立刻着手设计了一项实验，观察钴原子核的衰变，并最终以显著的证据证明了这一猜想的正确性，震惊了物理学界[3]。随后，李政道和杨振宁因此获得了1957年的诺贝尔物理学奖。
图5 李政道和杨振宁（左）；泡利和吴健雄（右）
这一发现使得离散对称性的研究成为当时物理学的前沿领域之一。随后，物理学家们在 介子和 子的弱衰变中也观察到了宇称不守恒的现象。这些发现促使费曼（Feynman）和盖尔曼（Gell-Mann）等学者提出关于弱相互作用的左手流理论[4]。根据当今的物理学理论，带电流弱相互作用中P对称性呈现出最大程度的破缺，即只有左手粒子或右手反粒子参与弱相互作用。
尽管在弱相互作用中发现了宇称破缺，包括前苏联的全才物理学家朗道(Landau)在内的科学家们仍然认为，CP对称性在弱相互作用中是守恒的。然而，科学的发展正是在不断的论证与推翻中前进的。1964年，在美国布鲁克海文（Brookhaven）国家实验室，实验物理学家们通过观察中性 介子的衰变，首次发现了弱相互作用中的CP破坏现象[5]。这一发现最终获得了1980年的诺贝尔物理学奖。有意思的是，促使李政道和杨振宁两位先生提出宇称不守恒猜想的粒子，正是带电的 介子，它们内部均含有一种名为“奇异夸克”（strange quark）的基本粒子。如此说来， 介子确实是“奇异”粒子，因为它总能给我们带来各种意想不到的惊人发现。
图6 美国布鲁克海文国家实验室
就像当年发现宇称破缺那样，CP破坏的首次发现激发了物理学家们的极大兴趣，推动他们在各种粒子中探索CP破坏现象。在发现中性介子的CP破坏后的数十年中，科学家们陆续在 介子、 介子和 介子系统中观测到了CP破坏现象。
实验与理论如同物理学发展的两条腿：实验学家们不断地在寻找和验证CP破坏的证据，而理论学家们则根据这些实验结果提出解释CP破坏的理论机制，并通过对比实验数据来验证这些理论。1973年，理论物理学家小林诚（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）在尼古拉·卡比博（Nicola Cabibbo）工作[6]的基础上，提出了一种新的机制来解释CP破坏的起源[7]。他们认为，CP破坏源于不同种类夸克（基本粒子之一，包括上文提到的奇异夸克）之间的弱相互作用，而这种相互作用的强度可以通过卡比博-小林-益川（Cabibbo-Kobayashi-Maskawa）矩阵来定量描述。该机制的预言已经被实验所证实，这也使得两位物理学家在2008年获得了诺贝尔物理学奖。到目前为止，小林-益川机制仍是唯一被实验所证实的CP破坏机制。
值得一提的是，该机制预测至少需要六种不同种类的夸克才能导致CP破坏，而其中的第四种夸克——粲夸克（charm quark）——直到1974年才在实验中首次被发现（尽管在此之前，为了解释中性介子只有极小可能衰变到两个 子，理论家提出必须有粲夸克的存在，即GIM机制），这也展示了他们理论预言的前瞻性和大胆性。
图7 小林诚（左）；益川敏英（右）
三、重子的CP破坏
尽管实验在不断发现CP破坏现象，并且这些CP破坏的大小都可以通过卡比博-小林-益川矩阵加以解释，物理学家对CP破坏的研究仍未止步。原因之一在于，卡比博-小林-益川矩阵所能提供的CP破坏程度远不足以解释当今天文学观测到的正反物质不对称性。简而言之，在宇宙中重子生成之时，卡比博-小林-益川矩阵所能提供的CP破坏在很大程度上取决于“跨代”夸克之间的相互作用，即非对角元的大小及其复相位（定量地可以用一个叫“Jarlskog不变量”的物理量进行描述，考虑到文章篇幅，此处不展开介绍）。然而，从图8可以看出，这些非对角元相对于对角元来说非常小，导致该矩阵近似于一个单位矩阵，从而大大减弱了其所能产生的CP破坏。由此可以推断，很有可能还存在新的CP破坏起源，等待我们去探索和发现。
图8 卡比博-小林-益川矩阵示意图，方块大小表示相应的相互作用强度。图中字母分别表示当前已发现的6种夸克：上夸克（up quark，u），粲夸克（charm quark，c），顶夸克（top quark，t），下夸克（down quark，d），奇异夸克（strange quark，s），底夸克（bottom quark，b）
此外，当前发现的CP破坏现象主要局限于介子系统，而作为日常可见物质主要成分之一的重子系统（如构成原子核的质子和中子），其CP破坏却尚未在实验中得到确认。因此，探索重子系统中的CP破坏已成为当今粒子物理学研究的前沿课题之一。
基于此背景，华中科技大学研究粒子物理理论的科研团队指出， 重子的某种衰变模式可能呈现出显著的CP破坏[8]。有趣的是，这种衰变模式的CP破坏效应利用了量子物理学中的一个独特现象——两个跃迁振幅之间的干涉，类似于电子在双缝干涉实验中产生的干涉现象。由于 重子的组分之一底夸克（bottom quark）与其衰变产物上夸克（up quark）之间耦合的特殊性，这种干涉效应可能导致在 重子系统的衰变中展现出较大的CP破坏。这为实验物理学家首次在重子系统中发现CP破坏提供了全新的研究思路和方案。
图9 重子衰变的示意图，其中 、 等表示相应的卡比博-小林-益川矩阵元
位于欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就如同一座 重子的“工厂”，其正开足马力，以史无前例的速度，在大批量生产 重子并且精确记录它们的衰变信息。它的其中一个科学目标，就是寻找和研究重子的CP破坏现象。这同时也将为验证华科团队的理论设想提供确切的实验结果。未来一旦发现重子的CP破坏，将标志着CP破坏研究迈入一个新的里程碑。这对于我们理解宇宙的结构和演化规律，乃至人类自身的起源，都具有深远的意义。
图10 LHCb实验室，其是大型强子对撞机的四个主要实验室之一
四、“首尾共生，始终如一”
电弱统一理论的奠基人之一、1979年诺贝尔物理学奖得主格拉肖（Glashow）曾经画过一条咬着自己尾巴的蛇，寓意不同尺度的对立与统一。而CP破坏的研究正是其中的一个典型代表，它宛如一座桥梁，连接着极小的微观粒子和极大的宏观宇宙，仿佛一条无始无终的“衔尾蛇”。
图11 格拉肖（右）与他的“衔尾蛇”（左）
消失的反物质到底去哪了？我们至今尚未有确切的答案。但是，可以借用“数学界的亚历山大”，大数学家希尔伯特（Hilbert）的一句名言来表达对未来的信心：“我们必须知道，我们必将知道（We must know, we will know）”。
参考文献
[1] Sakharov A. Violation of CP Invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe[J]. Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz., 1967, 5:32-35.
[2] Lee T, Yang C. Question of Parity Conservation in Weak Interactions[J]. Physical Review, 1956, 104:254-258.
[3] Wu C, Ambler E, Hayward R W, et. al. Experimental Test of Parity Conservation in Decay[J]. Physical Review, 1957, 105:1413-1414.
[4] Feynman R P, Murray G. Theory of Fermi interaction[J]. Physical Review, 1958, 109:193-198.
[5] Christenson J H, Cronin J W, Fitch V L, et. al. Evidence for the 2 Decay of the Meson[J]. Physical Review Letter, 1964, 13:138-140.
[6] Nicola C. Unitary Symmetry and Leptonic Decays[J]. Physical Review Letter, 1963, 10:531-533.
[7] Makoto K, Toshihide M. CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction[J]. Progress of Theoretical Physics, 1973, 49:652-657.
[8] Shen Y, Wang J, Qin Q. Possible large CP violation in charmed decays[J]. Physical Review D (Letter), 2023, 108(11):L111901.
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编辑：花明