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大型強子對撞機LHCb實驗首次發(fā)現(xiàn)重子CP破壞?中國科學(xué)院高能物理研究所團隊成員做出重要貢獻
文章來源:  2025-03-31
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日內(nèi)瓦時間3月24日晚,歐洲核子研究中心(CERN)在第59屆“國際電弱相互作用和統(tǒng)一理論會議”上宣布,大型強子對撞機底夸克實驗(LHCb)合作組首次在重子衰變中觀測到電荷共軛-宇稱聯(lián)合變換對稱性破壞(簡稱CP破壞)現(xiàn)象,為揭示宇宙中正反物質(zhì)不對稱之謎提供了決定性線索。中國LHCb實驗團隊作出突出貢獻,中國科學(xué)院高能物理研究所LHCb團隊成員深度參與并發(fā)揮重要作用。

根據(jù)宇宙大爆炸理論,138億年前宇宙誕生之初,正物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)等量存在,但如今的可觀測宇宙幾乎完全由正物質(zhì)主導(dǎo)。這一謎題的核心,可能在于正反粒子行為的細微差異——即CP對稱性破壞。自1956年宇稱不守恒理論顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知后,科學(xué)家于1964年首次在含奇異夸克的介子衰變中觀測到CP破缺,相關(guān)發(fā)現(xiàn)者斬獲諾貝爾物理學(xué)獎。此后數(shù)十年間,對含底夸克、粲夸克的介子體系的研究也相繼驗證了這一現(xiàn)象。然而,由三個夸克構(gòu)成的重子(如質(zhì)子、中子)作為構(gòu)成宇宙可見物質(zhì)主要成分的基本單元,其CP破缺卻始終未被捕獲。探尋重子系統(tǒng)中的CP破壞成為粒子物理學(xué)領(lǐng)域一個懸而未決的難題。

中國LHCb實驗團隊與合作者利用LHCb實驗數(shù)據(jù),在多個重子衰變過程中尋找CP破壞現(xiàn)象。最終,在底重子到質(zhì)子、奇異介子和正反π介子的四體衰變過程中,發(fā)現(xiàn)正反底重子的衰變率存在超過5倍標(biāo)準(zhǔn)差的顯著差異(如下圖所示),標(biāo)志著首次在重子衰變中觀測到?CP?破壞。這一發(fā)現(xiàn)填補了粒子物理學(xué)60多年的空白,為精確檢驗粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的三代夸克混合機制、理解宇宙中正反物質(zhì)不對稱性起源提供了關(guān)鍵線索。

此前,中國聯(lián)合團隊在底重子衰變到超子和奇異介子對的三體衰變中已經(jīng)觀測到重子CP破壞跡象。該成果已于本月12日作為《物理評論快報》編輯推薦和亮點論文在線發(fā)表;同日,美國物理學(xué)會《物理》期刊以“LHCb實驗為理解CP破壞疑難提供了關(guān)鍵信息”同步報道。

LHCb實驗國際合作組由來自24個國家的100家研究機構(gòu)、近1800名科研人員組成。中國科學(xué)院高能物理研究所于2018年加入LHCb實驗國際合作組,目前有主要成員7人(王建春研究員、李一鳴研究員、陳繕真副研究員、徐子駿副研究員、袁煦昊副研究員、周揚副研究員、張慧副研究員)。自加入以來,高能所LHCb團隊在上游徑跡探測器的設(shè)計、運行、維護等工作上,以及強子譜學(xué)研究、CKM矩陣元素測量、CP破壞尋找等方向上取得了一系列重要成果。高能所陳繕真副研究員在LHCb實驗上主要從事CKM矩陣元素測量、CP破壞尋找工作,在本次發(fā)現(xiàn)中做出了重要貢獻。此外,在LHCb合作組內(nèi),高能所王建春研究員擔(dān)任合作組管理顧問委員會成員、LHCb上游徑跡探測器項目經(jīng)理,李一鳴研究員擔(dān)任報告遴選委員會副主席,高能所的研究團隊為LHCb實驗的數(shù)據(jù)質(zhì)量和合作組的高效運行提供了重要保障。

此次最終發(fā)現(xiàn)重子中的CP破壞,不僅驗證了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言,更為探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象開辟了嶄新的路徑。重子CP破壞現(xiàn)象可能攜帶表征宇宙早期正反物質(zhì)不同行為的獨特“密鑰”,或?qū)⒊蔀閷ぞ啃挛锢淼狞S金探針。隨著大科學(xué)裝置迭代升級、前沿技術(shù)集中涌現(xiàn)、實驗性能日益提升,物理學(xué)家有望在更高的精度下解析CP破壞機制,重構(gòu)138億年前決定宇宙中正反物質(zhì)存續(xù)的決定性瞬間,持續(xù)突破人類認(rèn)知邊界,早日揭開重大科學(xué)問題之謎。?

LHCb實驗論文預(yù)印本:https://arxiv.org/abs/2503.16954

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

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

LHCb實驗觀測到(左)底重子和(右)反底重子衰變的產(chǎn)額顯著不同,從而首次在重子衰變中發(fā)現(xiàn)CP破壞。


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