清華新聞網(wǎng)3月28日電 當(dāng)?shù)貢r(shí)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(huì)議上宣布，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)（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(duì)稱性破壞（簡稱“CP破壞”）現(xiàn)象。這一結(jié)果有助于我們進(jìn)一步認(rèn)知宇宙演化過程，被視為人類探索基本對(duì)稱性破壞歷程中一座新的里程碑。LHCb中國研究團(tuán)隊(duì)對(duì)這一重大突破作出了關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)，清華LHCb團(tuán)隊(duì)成員深度參與并發(fā)揮重要作用。
根據(jù)大爆炸理論，宇宙誕生之初，物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是等量存在的。然而，目前已知的宇宙幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成，反物質(zhì)幾乎消失無蹤。這一現(xiàn)象令人困惑，因?yàn)槲锢矶芍写嬖谝环N被稱為CP對(duì)稱性的規(guī)則，認(rèn)為粒子與其反粒子應(yīng)遵循相同的自然法則。要解釋為何物質(zhì)最終主導(dǎo)宇宙，CP對(duì)稱性破壞是必不可少的條件。
因此，自1964年粒子物理學(xué)家首次在K介子衰變中發(fā)現(xiàn)CP破壞現(xiàn)象以來，關(guān)于CP破壞的研究一直是粒子物理學(xué)的熱點(diǎn)前沿。在隨后的60年里，粒子物理學(xué)家先后在底介子和粲介子衰變中發(fā)現(xiàn)了CP破壞，但尚未在構(gòu)成可觀測宇宙主要成分的重子的衰變中觀測到這一現(xiàn)象。尋找重子衰變中的CP破壞是很多粒子物理實(shí)驗(yàn)的重要研究任務(wù)。
LHCb中國研究團(tuán)隊(duì)與合作者利用LHCb實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在多個(gè)重子衰變過程中尋找CP破壞現(xiàn)象。在對(duì)底重子Λ_b0到pK?π?π?四體衰變過程的研究中，發(fā)現(xiàn)Λ_b0重子與其對(duì)應(yīng)的反粒子（Λ_b0-bar）的衰變率存在顯著差異（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(bǔ)了CP破壞研究中關(guān)鍵的一塊拼圖，為研究粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的卡比博-小林-益川機(jī)制，理解宇宙中正反物質(zhì)不對(duì)稱性起源提供了重要信息。
圖1.Λ_b0→pK?π?π?衰變（左）與其反過程Λ_b0-bar→p-barK+π?π?衰變（右）的不變質(zhì)量分布。各成分產(chǎn)額與曲線高度呈正比。（未扣除產(chǎn)生截面和探測不對(duì)稱性，共約1.3%）
LHCb國際合作組由來自24個(gè)國家的100家研究機(jī)構(gòu)、約1800名科研人員組成。清華大學(xué)于2000年加入LHCb國際合作組，是合作組發(fā)起成員單位之一，多年來與國內(nèi)外合作者一起，在CP破壞、強(qiáng)子譜學(xué)和重味強(qiáng)子產(chǎn)生機(jī)制等方向取得一系列重要物理成果。清華大學(xué)LHCb實(shí)驗(yàn)組張黎明副教授課題組聯(lián)合指導(dǎo)的博士后戴鑫琛在本次重子衰變的CP破壞研究中選擇了這一衰變過程進(jìn)行研究，他在數(shù)據(jù)分析和文章撰寫工作中也作出重要貢獻(xiàn)。
LHCb國際合作組發(fā)言人、意大利國家核物理研究院（INFN）資深研究員文森佐·瓦尼奧尼（Vincenzo Vagnoni）評(píng)價(jià)道：“重子CP破壞的發(fā)現(xiàn)是粒子物理研究史中的一個(gè)重要里程碑，來自中國的LHCb實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這是他們長期不懈努力的成果。”他表示：“我們觀測到CP破壞現(xiàn)象的系統(tǒng)越多，測量精度越高，就越有機(jī)會(huì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型并探索超越該模型的新物理。首次在重子衰變中觀測到CP破壞現(xiàn)象，為深入研究CP破壞本質(zhì)的理論與實(shí)驗(yàn)工作開辟了道路，可能為超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理研究提供新的約束條件。”
圖2.粒子物理研究史中與CP破壞有關(guān)的里程碑
中國LHCb團(tuán)隊(duì)在本次重子衰變CP破壞的發(fā)現(xiàn)中作出關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)。清華大學(xué)LHCb實(shí)驗(yàn)組成員戴鑫琛開展了先期信號(hào)篩選以及本底研究、研究了該衰變的振幅模型、參與撰寫了成果論文，深度參與了實(shí)驗(yàn)工作并為該重大成果的取得作出了重要貢獻(xiàn)。戴鑫琛表示：“在和LHCb中國組的同事們深入討論后，我們一致認(rèn)為降低測量誤差是發(fā)現(xiàn)CP破壞的關(guān)鍵突破口，因此最終選擇了這個(gè)統(tǒng)計(jì)量最大的衰變過程開展研究。”
LHCb是目前世界上能量最高的粒子加速器LHC上的大型實(shí)驗(yàn)裝置之一，致力于精確測量重味強(qiáng)子（即含粲夸克或底夸克的強(qiáng)子）的性質(zhì)，以期探索宇宙中正反物質(zhì)不對(duì)稱之謎、尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，理解強(qiáng)相互作用等。
清華大學(xué)于2000年加入LHCb國際合作組，是合作組發(fā)起成員單位之一。在LHCb探測器研制期間，清華大學(xué)工物系團(tuán)隊(duì)參與了外部徑跡探測器和觸發(fā)電子學(xué)的研制。而在剛完成的LHCb升級(jí)計(jì)劃中，工物系曾鳴教授和龔光華副研究員團(tuán)隊(duì)在國家自然科學(xué)基金重大國際合作項(xiàng)目支持下，為閃爍光纖徑跡探測器的研制作出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，LHCb清華團(tuán)隊(duì)在物理研究方面取得了一系列有國際影響力的研究成果，其中最引人注目是主導(dǎo)發(fā)現(xiàn)了五夸克態(tài)和雙粲重子。目前，清華大學(xué)正與國內(nèi)外合作單位共同推進(jìn)LHCb實(shí)驗(yàn)下一代探測器升級(jí)中新型電磁量能器的研發(fā)。
LHCb實(shí)驗(yàn)論文預(yù)印本：
https://arxiv.org/abs/2503.16954
LHCb新聞報(bào)道：
https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2025/03/25/observation-of-the-different-behaviour-of-baryonic-matter-and-antimatter/
CERN新聞報(bào)道：
https://home.cern/news/press-release/physics/new-piece-matter-antimatter-puzzle
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：郭玲
