重子CP破缺：反物质消失疑难之钥

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e^-的反粒子为带正电荷的正电子e⁺。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10^-35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。

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。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？

图2 宇宙的演化历史

苏联物理学家萨哈罗夫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) 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 对称性破缺。(注：萨哈罗夫曾参与苏联核武器的研制，后来转而反对核武器扩散，是一位类似于美国的奥本海默那样的科学家。)

 图3 爱因斯坦与奥本海默(a)；萨哈罗夫(b)

什么是C 和CP 破缺？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”，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”，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(a)；CP破缺(b)

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“θ-τ”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。

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。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(a)；泡利和吴健雄(b)

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π介子和μ子的弱衰变中也观察到了宇称不守恒的现象。这些发现促使费曼和盖尔曼等学者提出关于弱相互作用的左手流理论。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，包括苏联的全才物理学家朗道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地论证与推翻中前进的。1964 年，在美国布鲁克海文国家实验室，实验物理学家们通过观察中性K介子的衰变，首次发现了弱相互作用中的CP破缺现象。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K 介子，它们内部均含有一种名为“奇异夸克”的基本粒子。如此说来，K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 破缺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破缺现象。在发现中性K介子的CP 破缺后的数十年中，科学家们陆续在B 介子、B_s介子和D介子系统中观测到了CP破缺现象。

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 破缺的证据，而理论学家们则根据这些实验结果提出解释CP破缺的理论机制，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和益川敏英在尼古拉·卡比博工作的基础上，提出了一种新的机制来解释CP 破缺的起源。他们认为，CP 破缺源于不同种类夸克(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破缺机制。

图7 小林诚(a)；益川敏英(b)

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 破缺，而其中的第四种夸克——粲夸克——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K介子只有极小可能衰变到两个μ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。

尽管实验在不断发现CP 破缺现象，并且这些CP破缺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 破缺的研究仍未止步。原因之一在于，卡比博-小林-益川矩阵所能提供的CP破缺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 破缺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 破缺。由此可以推断，很有可能还存在新的CP破缺起源，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(u)，粲夸克(c)，顶夸克(t)，下夸克(d)，奇异夸克(s)，底夸克(b)

此外，当前发现的CP破缺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破缺却尚未在实验中得到确认。因此，探索重子系统中的CP破缺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，Λ_b重子的某种衰变模式可能呈现出显著的CP 破缺。有趣的是，这种衰变模式的CP破缺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Λ_b重子的组分之一底夸克与其衰变产物上夸克之间耦合的特殊性，这种干涉效应可能导致在Λ_b重子系统的衰变中展现出较大的CP破缺。这为实验物理学家首次在重子系统中发现CP破缺提供了全新的研究思路和方案。

图9 Λ_b重子衰变的示意图，其中V_ub、V_cs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Λ_b 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Λ_b 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 破缺现象。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破缺，将标志着CP破缺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

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破缺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(b)与他的“衔尾蛇”(a)

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)”。

本文选自《现代物理知识》2025年1期YWA编辑

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