如何研究物質(zhì)和反物質(zhì)？北京譜儀開創(chuàng)探索正反物質(zhì)不對(duì)稱性新方法
家家安北京6月2日電 (記者 孫自法)盡管在宇宙大爆炸之初應(yīng)該產(chǎn)生等量的正反物質(zhì)，為什么我們的宇宙卻只有物質(zhì)組成而非反物質(zhì)？物質(zhì)和反物質(zhì)遵循不同的規(guī)律嗎？?jī)烧哂泻尾煌?/p>
困擾了科學(xué)界半個(gè)多世紀(jì)的這些難題，隨著北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上北京譜儀III(BESIII)最新完成一對(duì)講門鈴項(xiàng)粒子物理領(lǐng)域的重大突破，有望迎來解決的契機(jī)。
作為北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的核心裝置和唯一粒子物理實(shí)驗(yàn)裝置，大科學(xué)裝置北京譜儀III像“眼睛”一樣注視正負(fù)電子對(duì)撞過程，它在最近的一次測(cè)量中實(shí)現(xiàn)一種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，為研究物質(zhì)和反物質(zhì)不對(duì)稱性提供了極其靈敏的實(shí)驗(yàn)探針。
來自中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)的最新消息說，由北京譜儀III實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組中外科學(xué)家們共同完成的這項(xiàng)重要基礎(chǔ)研究成果論文，北京時(shí)間6月1日晚在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上線發(fā)表。
正反科西超子級(jí)聯(lián)衰變演示圖。鏡像之間紐帶連接表示正反超子的量子關(guān)聯(lián)。 中科院高能所 供圖
北京譜儀III實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組發(fā)言人、中科院高能所李海波研究員介紹說，粒子衰變?yōu)檠芯空次镔|(zhì)不對(duì)稱提供了重要線索：如果粒子和反粒子的衰變模式存在差異，那么這些差異可能是導(dǎo)致今天豐富語音呼叫對(duì)講的物質(zhì)世界形成的原因。然而，由于粒子衰變通常是由多種相互作用誘導(dǎo)發(fā)生的，比如一種類似質(zhì)子的短壽命粒子叫做科西超子，它的內(nèi)部含有兩個(gè)重的奇異夸克和一個(gè)輕夸克，其衰變過程中既有弱也有強(qiáng)作用發(fā)生，如何識(shí)別是哪種作用導(dǎo)致正反物質(zhì)衰變行為不同呢？
北京譜儀III實(shí)驗(yàn)最近首次利用處于量子糾纏的正反科西超子對(duì)的級(jí)聯(lián)衰變，成功地把導(dǎo)致正反物質(zhì)不對(duì)稱的弱作用力從強(qiáng)作用力中分離出來，這一創(chuàng)新方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果引起粒子物理領(lǐng)域世界同行的密切關(guān)注。
在北京譜儀III實(shí)驗(yàn)中，電子與其反粒子正電子碰撞的能量是其固有質(zhì)量的上萬倍。在這些碰撞中，電子和正電子湮滅，并從釋放的能量中產(chǎn)生其他粒子或粒子對(duì)。在這項(xiàng)新的研究中，科研人員利用正反科西超子的“自旋”信息和量子關(guān)聯(lián)來揭示正反物質(zhì)不對(duì)稱性，粒子物理學(xué)家稱之為“CP破壞”。超子衰變是尋找CP破壞的一個(gè)很有希望的“狩獵場(chǎng)”，因?yàn)樗鼈兊摹白孕狈较蚩梢酝ㄟ^其“子粒子”的衰變直接測(cè)量。考慮成對(duì)的正反超子級(jí)聯(lián)衰變，可以把強(qiáng)力和弱力的貢獻(xiàn)分開，導(dǎo)致對(duì)CP破壞測(cè)量的敏感度顯著提高。北京譜儀III實(shí)驗(yàn)這一創(chuàng)新方法為尋找CP破壞提供了一種全新的視角。
中科院院士、中科院高能所所長(zhǎng)王貽芳研究員指出，盡管《自然》最新發(fā)表論文中給出的結(jié)果顯示沒有CP破壞的跡象。然而，這一創(chuàng)新方法為科學(xué)家未來確認(rèn)或排除超出標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞來源帶來了希望。他說，北京譜儀III實(shí)驗(yàn)最新測(cè)量結(jié)果此前已引起國(guó)際同行關(guān)注，并被2021年國(guó)際輕子光子大會(huì)邀請(qǐng)為大會(huì)專題報(bào)告，“這是理解正反物質(zhì)不對(duì)稱的一個(gè)里程碑，我期待北京譜儀III實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組取得更多成就。”
李海波還強(qiáng)調(diào)，北京譜儀III實(shí)驗(yàn)的靈敏度遠(yuǎn)高于之前美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的HyperCP實(shí)驗(yàn)，是HyperCP實(shí)驗(yàn)單事例靈敏度的1000倍，這得益于北京譜儀III實(shí)驗(yàn)上正反科西超子的自旋極化和量子糾纏。針對(duì)北京譜儀III實(shí)驗(yàn)此次測(cè)量的高精度，他形象比喻說，這好比一般測(cè)量方法在地球上只能看到月球上的環(huán)形山，而用北京譜儀III最新的測(cè)量方法，就可以看到著陸月球上的“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器一樣。
北京譜儀III探測(cè)器是中國(guó)自主研發(fā)的大型高能實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組成立于2008年，由來自亞洲、歐洲和美洲等17個(gè)國(guó)家80個(gè)研究機(jī)構(gòu)約500名科學(xué)家組成，是目前中國(guó)國(guó)內(nèi)大科學(xué)裝置上正在運(yùn)行的最大國(guó)際合作組，中外科學(xué)家這次通過北京譜儀III實(shí)驗(yàn)合作完成的粒子物理重大突破成果，也成為科研領(lǐng)域國(guó)際合作的典范。(完)
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