我們所處的世界，物質(zhì)和反物質(zhì)明顯不平衡，這是當(dāng)今物理學(xué)的一大難題。目前看來，宇宙中并不存在由反物質(zhì)組成的行星、恒星或星系，至少我們尚未發(fā)現(xiàn)任何相關(guān)的跡象。然而在宇宙的早期階段，正反兩種物質(zhì)應(yīng)該是等量存在的。在那時，高能輻射不斷創(chuàng)造出大量粒子反粒子對，兩者僅有電荷不同，之后它們又相互碰撞，一起湮滅。到了今天，在宇宙已經(jīng)充分冷卻之后，每10億個輻射粒子只留下了1個物質(zhì)粒子。這點(diǎn)小小的盈余足夠創(chuàng)造出我們的物質(zhì)世界，但是，那些反粒子去哪了？

　　1967年，俄羅斯物理學(xué)家安德烈·扎哈羅夫（Andrei Sacharow）提出，物質(zhì)之所以在數(shù)量上占據(jù)了優(yōu)勢，原因是物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子之間存在細(xì)微差別。兩者之間必定存在這樣或那樣的不同，而不是完全對稱——科學(xué)家把這種現(xiàn)象稱為對稱性破缺。

　　對稱性在物理學(xué)中起著重要作用。我們?nèi)粘６紩w驗到的一種對稱是空間鏡像對稱：當(dāng)我們從鏡子里觀察世界時，乍看上去鏡中世界和本來的世界一模一樣。但如果仔細(xì)看，我們會發(fā)現(xiàn)，右撇子在鏡子里成了左撇子，右旋螺絲變成了左旋螺絲。

　　這同樣適用于微觀世界中的粒子及其相互作用。構(gòu)成物質(zhì)的粒子都具有自旋，即內(nèi)在的旋轉(zhuǎn)性質(zhì)。根據(jù)自旋是指向運(yùn)動方向還是背離運(yùn)動方向，科學(xué)家把粒子分為“右手征”和“左手征”。左手征粒子的鏡像是右手征的，就像右旋螺絲經(jīng)空間反射變換后成了左旋螺絲一樣。

　　然而，早在20世紀(jì)50年代，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)在放射性β衰變中只會產(chǎn)生左手征粒子或相應(yīng)的右手征反粒子。通過β衰變產(chǎn)生的中微子甚至全是左手征的，對應(yīng)的反粒子則總是右手征粒子。由于沒有右手征中微子的存在，所以左手征中微子不存在空間鏡像。于是物理學(xué)家提出，在自然界中，這種名為宇稱（P）的鏡像對稱是破缺的。

　　除了空間對稱以外，還存在與電荷等內(nèi)在屬性有關(guān)的對稱。科學(xué)家把粒子與反粒子之間的對稱叫作電荷鏡像對稱，或電荷共軛對稱。這種對稱性在中微子身上也被打破了。目前為止沒有觀察到左手征反中微子的存在，所以左手征中微子也沒有對應(yīng)的電荷鏡像。

　　那么，也許粒子和反粒子之間的對稱并非單純的電荷共軛對稱，而是將空間鏡像（P）和電荷鏡像（C）組合起來的聯(lián)合對稱？在這個“CP鏡子”中，左手征中微子變成了右手征反中微子——正如我們在自然界中所觀察到的那樣。物理學(xué)家期望，至少在理論上，CP鏡子能將物質(zhì)世界完美轉(zhuǎn)換成適用相同物理定律的反物質(zhì)版本。若果真如此，我們所在的宇宙是帶正電的質(zhì)子、帶負(fù)電的電子組成的物質(zhì)世界，還是由帶有相反電荷的反粒子組成的反物質(zhì)世界，就只是叫法不同而已了。

　　夸克和輕子（包括電子和中微子）是物質(zhì)的基本組成部分，它們都有與之對應(yīng)的帶有相反電荷的反粒子。這些帶有分?jǐn)?shù)電荷的夸克在自然界當(dāng)中都是相互結(jié)合在一起的。比如每個質(zhì)子和中子都是由三個上夸克和下夸克組成。這些三個夸克組成的粒子被稱為重子。另外，我們也觀察到了夸克和反夸克組合而成的粒子，即所謂的介子。

　　然而，研究人員在1964年對中性粒子K介子進(jìn)行的實驗，粉碎了粒子-反粒子完美對稱的希望。他們觀察到，K介子的衰變行為與其反粒子并不相同。領(lǐng)導(dǎo)該研究的兩位科學(xué)家詹姆斯·克羅寧（James Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）憑借這一發(fā)現(xiàn)于1980年獲得了諾貝爾獎。

　　由于這種對稱性破缺，粒子世界現(xiàn)在可以明確地與反粒子世界區(qū)分開來。對于我們宇宙的演化，這種CP破壞發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它有可能解釋為何物質(zhì)占據(jù)了主導(dǎo)地位。

　　尋找對稱破缺

　　這樣看來，似乎一切都說的通了——但前提是實驗室中測出的對稱破缺強(qiáng)度足以造成宇宙中正反物質(zhì)的不平衡。通過大量的K介子和B介子測量實驗，我們發(fā)現(xiàn)事實并非如此。在微觀世界的某個地方，可能還存在其他違反CP對稱的全新物理過程和現(xiàn)象?，F(xiàn)在，借助高精度實驗，科學(xué)家已經(jīng)察覺到了一些蛛絲馬跡。

　　介子是研究粒子與反粒子不對稱性的良好對象，因為介子是由一個夸克和一個反夸克組成的——可算作是物質(zhì)和反物質(zhì)的混合系統(tǒng)。此外介子不穩(wěn)定，會在很短的時間內(nèi)衰變。其中的一個夸克會轉(zhuǎn)變成新的夸克。原子核發(fā)生放射性衰變時，由三個夸克組成的中子也會經(jīng)歷類似的過程。為了描述這種衰變過程，物理學(xué)家借助了所謂的費(fèi)曼圖。這種圖表最初是為了更簡潔直觀地表示計算規(guī)則而發(fā)明的。不同夸克的相互轉(zhuǎn)化是基本作用力弱相互作用的標(biāo)志性效果。在這一過程中，通過帶正電或負(fù)電、負(fù)責(zé)傳遞弱相互作用的W玻色子，帶有2/3正電荷的上夸克、粲夸克和頂夸克可以轉(zhuǎn)變?yōu)閹в?/3負(fù)電荷的下夸克、奇異夸克和底夸克，反之亦然。

　　夸克通過弱相互作用轉(zhuǎn)化為另一種夸克，會導(dǎo)致一些復(fù)雜的物理過程。例如，由奇異夸克和反底夸克組成的Bs介子能轉(zhuǎn)變成反粒子，在極短時間內(nèi)后者又會變回Bs介子。整個系統(tǒng)會在粒子和反粒子之間不斷振蕩。在全世界最大的粒子加速器、歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）上，有一個名為LHCb的實驗裝置在追蹤這類特殊過程。

　　有趣的是，在正反粒子的中間態(tài)里出現(xiàn)了頂夸克，這種夸克的質(zhì)量要比原始Bs介子高很多倍。乍眼看去，這似乎并不可能——產(chǎn)生它們的能量從何而來？答案來自于量子力學(xué)，根據(jù)海森堡不確定性原理，在極短的時間內(nèi)，能量守恒定律可以暫時被打破。這些粒子處于虛擬的過渡態(tài)，它們會顯著影響振蕩頻率，因此科學(xué)家可以通過精確測量振蕩頻率，來驗證過渡態(tài)的理論假設(shè)是否正確。同樣，科學(xué)家還能從中尋找未知新粒子發(fā)揮作用的跡象，即便那些粒子質(zhì)量極大。

　　到目前為止，把誤差考慮進(jìn)去的話，理論計算的結(jié)果和測量值可以說是一致的。不幸的是，即便借助計算機(jī)，對振蕩頻率進(jìn)行實際計算也是困難重重，只能得到近似值。因此，理論計算結(jié)果的不確定性現(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測量誤差。

　　量子效應(yīng)不但能導(dǎo)致粒子在正反狀態(tài)振蕩，也能打破粒子和反粒子的對稱。另一種名為B0的B介子特別適合用來研究此類現(xiàn)象，因為據(jù)很多理論物理學(xué)家的預(yù)測，這一類粒子在衰變時更容易受到對稱性破缺的影響。與之前描述過的粒子反粒子振蕩相似，我們可以通過介子的衰變來測量CP破壞，這種介子可以衰變?yōu)橐粋€帶正電的K介子（由上夸克和反奇異夸克組成）和一個帶負(fù)電的π介子（由下夸克和反上夸克組成）。結(jié)果非常明顯：發(fā)生衰變的B0介子數(shù)量明顯大于介子的數(shù)量，確切地說，多了8%。對于更為少見的Bs介子來講，正反粒子的差異甚至更為明顯，測量顯示，衰變?yōu)镵介子的Bs介子比其反粒子要多出近27%。

　　未知的物理機(jī)制

　　通過大量的B介子衰變，我們已經(jīng)能非常準(zhǔn)確地測出CP破壞的強(qiáng)度。LHCb的物理學(xué)家在此前斯坦福大學(xué)BaBar實驗和日本筑波大學(xué)Belle實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一系列精確的測試實驗。不過，這次他們?yōu)榇蠖鄶?shù)測量制定了新的精確度標(biāo)準(zhǔn)。與中性B介子粒子-反粒子振蕩有所不同的是，衰變過程中觀測到的很多不對稱性可以在理論上精確地計算出來。因此，測量成為了一種更有效的工具，可在衰變的量子修正中搜尋新粒子。同時它們也能幫我們找出可能導(dǎo)致粒子和反粒子不對稱的新機(jī)制。研究人員也希望能從中間接得出答案，解釋我們宇宙的物質(zhì)為何不對稱。

　　到目前為止，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型對基本粒子世界相關(guān)現(xiàn)象的描述是非常成功的。在這一理論中，只有在弱相互作用過程中才會出現(xiàn)CP破壞。各種夸克轉(zhuǎn)變過程，例如上夸克轉(zhuǎn)變?yōu)橄驴淇恕⑸峡淇宿D(zhuǎn)變?yōu)榈卓淇?，是緊密關(guān)聯(lián)的——這些轉(zhuǎn)變的概率存在固定關(guān)系，這種關(guān)系可以用幺正三角形來表示，其面積表示的就是觀測到的CP破壞強(qiáng)度。兩位日本理論物理學(xué)家小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）憑借對這些現(xiàn)象的描述獲得了2008年諾貝爾物理學(xué)獎。三角形的角度和邊長無法計算，只能通過實驗確定。把三角形的底設(shè)為單位長度1，測出另外兩個參數(shù)，就能確定整個三角形。

　　通過B0介子衰變?yōu)镵介子和J /ψ介子（B0→J/ψ Ks）時的CP破壞強(qiáng)度測出三角形的β角，再根據(jù)B介子振蕩頻率得出側(cè)邊長，就得到了目前此三角形的最佳測量結(jié)果。其他每種夸克轉(zhuǎn)變也必須能用三角形的參數(shù)描述，而三角形的任何不自洽之處，可能都標(biāo)志著某種標(biāo)準(zhǔn)模型之外的粒子或作用力。因此，LHCb的物理學(xué)家正通過多種不同方法測量三角形參數(shù)，找尋可能存在的偏差。

　　通過幾何計算，可以得出此三角形的另一個角γ是65度。這一結(jié)果的不確定性很低，大概是2%~3%。不過，與此同時，這一角度也可以借助B±→D0K±等衰變反應(yīng)中的CP破壞強(qiáng)度完全獨(dú)立地測量出來。當(dāng)然，這些過程非常罕見，因此γ角的測量結(jié)果到目前為止都很不準(zhǔn)確。LHCb的研究人員通過記錄大量的B介子，能將誤差降低到大約5度。目前，實驗測量出的結(jié)果是73.5度，雖然比幾何方法計算出的結(jié)果要高，但在統(tǒng)計學(xué)上仍然是相符的。下一步要確定的是，隨著測量精度的提高，這種差異是會消失掉，還是會變得越來越明顯。

　　到目前為止，標(biāo)準(zhǔn)模型似乎仍能正確描述粒子物理的這一領(lǐng)域。鑒于B介子相關(guān)物理過程中粒子和反粒子的不對稱性測量相對繁瑣，原理也十分復(fù)雜，得出這樣的結(jié)果雖不算驚人，但也相當(dāng)可觀。然而，前面γ角計算那個例子表明，現(xiàn)在要給出明確的結(jié)論還為時尚早。任何未知粒子給量子效應(yīng)和CP破壞帶來的影響都可能非常小，從而隱藏在仍然很大的不確定性背后。盡管物理學(xué)家在重子衰變中沒有發(fā)現(xiàn)CP破壞的明確證據(jù)，但LHCb的研究者首次發(fā)現(xiàn)了與之相關(guān)的線索。

　　所謂的λ重子（即Λb，含有底夸克、上夸克和下夸克）會衰變成一個質(zhì)子和三個帶電荷的π介子。相應(yīng)的反λ重子則衰變成反質(zhì)子和三個帶電荷的π介子。這類衰變非常罕見，如果不是因為LHCb實驗反應(yīng)速率快，反應(yīng)量大，真的很難發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。首次測量顯示，λ和反λ重子的衰變之間存在微小差異。然而，由于這類測量誤差很大，所以物理學(xué)家寧愿暫時將他們的觀察結(jié)果稱為有力的線索。但是，如果更多的數(shù)據(jù)證明重子衰變中的確存在CP破壞，那么也許這種現(xiàn)象實際上也存在于此前的各類粒子系統(tǒng)當(dāng)中。這將為我們打開一扇新的大門，有助于我們更好地了解自然界的基本作用力和粒子。

　　除重子外，目前還有另外一類粒子也很難被精確測量：那就是中性D介子。這種粒子的獨(dú)特之處在于，它是唯一一種擁有三分之二電荷夸克（即上夸克和粲夸克）的中性介子。雖然中性D介子是在B介子之前被發(fā)現(xiàn)的，但是直到2013年，科學(xué)家才通過LHCb實驗明確無誤地證明它也存在混合，或者說振蕩現(xiàn)象，也就是介子和自身的反粒子能相互轉(zhuǎn)變。之所以很難觀察到中性D介子的振蕩，是因為它的振蕩頻率過慢。在經(jīng)歷足夠長時間，得以轉(zhuǎn)化為反粒子之前，大多數(shù)粒子已經(jīng)衰變了。因此，首選需要大量的D介子，只有這樣才能有一些非常長壽的粒子最終經(jīng)歷正反粒子的轉(zhuǎn)化，并讓物理學(xué)家觀察到。在D介子身上，粒子-反粒子不對稱更是難以觀察到，因為根據(jù)理論預(yù)言，這個數(shù)值非常小。

　　盡管目前在LHCb上進(jìn)行的對稱性測試最高精度能達(dá)到0.1‰，但是采集到的數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以觀察到預(yù)期的不對稱性。不過，由于這種不對稱性很小，需要極為精確的測量，所以一些意想不到的效應(yīng)可能相對來說很強(qiáng)，能夠明顯影響測量結(jié)果。因此，我們還是可以期盼有驚喜出現(xiàn)的。

　　在測量結(jié)果的不確定性相當(dāng)大的情況下，新的物理現(xiàn)象有時會被掩蓋住，比如說，被當(dāng)成大質(zhì)量的未知粒子帶來的效應(yīng)。LHCb的科學(xué)家計劃在2030年前將數(shù)據(jù)集擴(kuò)大十倍，同時還要優(yōu)化探測器以能適應(yīng)更大的數(shù)據(jù)傳輸率，這樣就能顯著降低測量中的不確定性。LHCb將幫助我們進(jìn)一步理解夸克物理中的粒子-反粒子對稱性破缺。如果真的存在未知的新效應(yīng)，LHCb應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)它們。此外，物理學(xué)家也在通過其他實驗研究中微子可能存在的CP破壞。也許，早期宇宙中真的還存在一些我們此前未知的粒子或CP破壞機(jī)制，因為很明顯，我們目前在介子實驗中所觀察到的CP破壞強(qiáng)度，并不足以解釋為何宇宙中物質(zhì)是過剩的。一定還有一些未知的東西做出了貢獻(xiàn)，而它們一定會在粒子世界中留下蛛絲馬跡。我們需要做的，就是去找到它們。

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