物质和反物质的性质存在微小的不同。物理学家正在亚原子层面上寻找这一现象的原因。

在宇宙诞生之初，正反物质本应是等量产生的，但在当前的宇宙中，物质却明显占据了上风，构成了我们看到的一切，反物质几乎完全消失不见。物理学家认为，这是由于正反物质并非完全对称所导致的，但却不能解释正物质的巨大优势。研究者希望，对介子这种由正反两种夸克组成的粒子的研究，能找出破坏平衡的额外力量。

撰文 | 乌尔里希·乌韦尔（Ulrich Uwer）、约翰内斯·阿尔布雷希特（Johannes Albrecht）

翻译 | 刘彬

我们所处的世界，物质和反物质明显不平衡，这是当今物理学的一大难题。目前看来，宇宙中并不存在由反物质组成的行星、恒星或星系，至少我们尚未发现任何相关的迹象。然而在宇宙的早期阶段，正反两种物质应该是等量存在的。在那时，高能辐射不断创造出大量粒子反粒子对，两者仅有电荷不同，之后它们又相互碰撞，一起湮灭。到了今天，在宇宙已经充分冷却之后，每10亿个辐射粒子只留下了1个物质粒子。这点小小的盈余足够创造出我们的物质世界，但是，那些反粒子去哪了？

1967年，俄罗斯物理学家安德烈·扎哈罗夫（Andrei Sacharow）提出，物质之所以在数量上占据了优势，原因是物质粒子和反物质粒子之间存在细微差别。两者之间必定存在这样或那样的不同，而不是完全对称——科学家把这种现象称为对称性破缺。

对称性在物理学中起着重要作用。我们日常都会体验到的一种对称是空间镜像对称：当我们从镜子里观察世界时，乍看上去镜中世界和本来的世界一模一样。但如果仔细看，我们会发现，右撇子在镜子里成了左撇子，右旋螺丝变成了左旋螺丝。

在B0介子衰变为K介子和π介子过程中，可以看出正反B0介子的行为存在差异：发生 B0→K π–衰变（图a）的B0介子数量要远远大于发生 →K-π 衰变（图b）的介子。

除重子外，目前还有另外一类粒子也很难被精确测量：那就是中性D介子。这种粒子的独特之处在于，它是唯一一种拥有三分之二电荷夸克（即上夸克和粲夸克）的中性介子。虽然中性D介子是在B介子之前被发现的，但是直到2013年，科学家才通过LHCb实验明确无误地证明它也存在混合，或者说振荡现象，也就是介子和自身的反粒子能相互转变。之所以很难观察到中性D介子的振荡，是因为它的振荡频率过慢。在经历足够长时间，得以转化为反粒子之前，大多数粒子已经衰变了。因此，首选需要大量的D介子，只有这样才能有一些非常长寿的粒子最终经历正反粒子的转化，并让物理学家观察到。在D介子身上，粒子-反粒子不对称更是难以观察到，因为根据理论预言，这个数值非常小。

尽管目前在LHCb上进行的对称性测试最高精度能达到0.1‰，但是采集到的数据还远远不足以观察到预期的不对称性。不过，由于这种不对称性很小，需要极为精确的测量，所以一些意想不到的效应可能相对来说很强，能够明显影响测量结果。因此，我们还是可以期盼有惊喜出现的。

在测量结果的不确定性相当大的情况下，新的物理现象有时会被掩盖住，比如说，被当成大质量的未知粒子带来的效应。LHCb的科学家计划在2030年前将数据集扩大十倍，同时还要优化探测器以能适应更大的数据传输率，这样就能显著降低测量中的不确定性。LHCb将帮助我们进一步理解夸克物理中的粒子-反粒子对称性破缺。如果真的存在未知的新效应，LHCb应该能够发现它们。此外，物理学家也在通过其他实验研究中微子可能存在的CP破坏。也许，早期宇宙中真的还存在一些我们此前未知的粒子或CP破坏机制，因为很明显，我们目前在介子实验中所观察到的CP破坏强度，并不足以解释为何宇宙中物质是过剩的。一定还有一些未知的东西做出了贡献，而它们一定会在粒子世界中留下蛛丝马迹。我们需要做的，就是去找到它们。

来源：环球科学

来源： 中科院物理所