物質與反物質：LHC 的發現可以解釋宇宙如何避免湮滅

Matter 和反物質應該在億萬年前就把彼此徹底消滅了，留下宇宙一個非常空曠的地方。

顯然這并沒有發生。大型強子對撞機 （LHC） 的實驗可能發現了我們如何避免這場世界末日的新線索，暗示了稱為重子的粒子及其反物質孿生體的衰變存在驚人的差異。

反物質應該與常規物質基本相同，只是它的反粒子與它們的相應粒子具有相反的電荷。不過，這種微小的差異會產生重大后果——如果兩者相遇，它們會在一股能量中相互湮滅。

模型表明Big Bang應該以相等的數量創造物質和反物質，但這意味著在那些早期形成的粒子總和早在恒星、行星和生命形成之前就已經抵消了。

既然我們首先在這里思考這個謎題，很明顯有什么東西介入了。通過某種未知的機制，宇宙似乎只剩下比反物質多一點的物質。

歐洲核子研究組織 （CERN） 物理學家現在分析了 LHC 數據，發現了令人信服的證據，證明物質和反物質的行為方式還有其他差異，導致了這種不平衡，而我們賴以生存正是這種不平衡。

理論上，所有粒子都應該受到所謂的電荷奇偶性 （CP） 對稱性.基本上，如果你把宇宙中所有粒子的電荷翻轉過來，并反轉它們的空間坐標，那么這個鏡像宇宙仍然應該遵循與我們自己的物理定律相同的所有定律。

但事實證明，一些互動違反這種對稱性。一個具有里程碑意義的 1964 年實驗發現名為 K 的粒子₂介子偶爾會衰變成它們在不違反 CP 對稱性的情況下無法衰變的產物。這種情況非常罕見——大約每 1000 次衰變事件中就有 2 次——但這足以顛覆當時公認的物理學觀點。

后來幾十年的許多實驗發現類似違規行為在其他顆粒，但僅限于其他類型的介子。這不足以解釋反物質的稀有性。尚未在重子中觀察到 CP 違規，重子是構成宇宙中大部分可觀測物質的另一類主要粒子。

這項新研究現在終于確定了重子中的 CP 違規，使用了類似于 1964 年研究的實驗設置——盡管規模要大得多。而不是 K₂介子，該團隊專注于稱為 Beauty-lambda 重子 （Λ_b） 及其反粒子。

如果 CP 對稱性起作用，則 Λ_b和抗 Λ_b粒子應以相同的速率衰減。但是，如果兩者之間存在顯著差異，那就是違反 CP 的跡象。

LHCb 合作的研究人員分析了 2009 年至 2018 年間 LHC 前兩次運行期間捕獲的數萬次衰變。有趣的是，他們發現物質衰變和反物質衰變之間的差異約為 2.45%。這與零相差 5.2 個標準差，使其成為足夠大的差異確認觀察到 CP 沖突。

“在重子中觀察到 CP 違規的時間比在介子中花費的時間更長的原因是效應的大小和可用數據，”說Vincenzo Vagnoni，LHCb 合作發言人。

“我們需要像 LHC 這樣的機器，能夠產生足夠多的美麗重子及其反物質對應物，我們需要在這臺機器上進行實驗，能夠精確定位它們的衰變產物。

“我們經歷了 80,000 多次重子衰變，才第一次看到這類粒子的物質-反物質不對稱性。”

這一重大突破可以為品牌提供線索新力量和粒子，這可能有助于解開為什么反物質沒有湮滅宇宙的全部內容的謎團。

“我們觀察 CP 違規行為的系統越多，測量越精確，我們測試的機會就越多標準型號并尋找超越它的物理學，”瓦格諾尼說.

該研究已提交給該雜志自然界，預同行評審版本目前可在arXiv.

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