北京正負電子對撞機上的北京譜儀III（BESIII）實驗實現了一種全新方法，為研究物質和反物質之間的差異提供了極其靈敏的探針。
6月2日，相關研究成果刊發(fā)于《自然》雜志。
論文所有匿名評審都對這一成果大加贊賞：“創(chuàng)新的測量方法”“很重要”“很新穎”“吸引人”“非常有前景”……到底是什么成果，竟讓匿名評審們如此興奮？
正—反科西超子級聯衰變演示圖 中科院高能物理所供圖
不好好“組CP”的反物質
“正反物質不對稱性”是困擾科學界半個多世紀的問題，也是粒子物理學家一直在尋找的現象。他們常會提到一個詞——“CP破壞”。
“CP破壞”里的“CP”，和我們平時常說的“組CP”里的“CP”（情侶檔）并不是一碼事。
130億年前，宇宙在發(fā)生大爆炸之后迅速膨脹、冷卻，大量正反粒子彼此結合、湮沒。
然而，就像鬧了別扭的情侶一樣，正反粒子在結合湮沒的過程中，行為出現了一些不同。
每十億個正反粒子湮沒的過程中，就有一個正物質粒子被留了下來，并最終組成了當今宇宙中所有的物質。
科學家將正粒子和反粒子衰變過程不一樣的現象，稱為“CP破壞”。
“CP破壞”的名字與李政道、楊振寧密切相關。他們提出并獲得諾貝爾物理學獎的“宇稱不守恒定律”認為，粒子的弱相互作用中存在“鏡像”空間反射不對稱性。
在此基礎上，科學家總結出了“CP破壞”。“CP破壞現象可以用來解釋為什么我們的世界中只有正物質，沒有反物質。”中國科學院高能物理研究所所長、中國科學院院士王貽芳告訴《中國科學報》。
宇宙原初反物質為何消失？
超子CP破壞有望解謎
自上個世紀60年代以來，國外科學家已經相繼在介子系統(tǒng)中發(fā)現了CP破壞?？墒牵次镔|的不對稱性并沒有因此得到完美解釋。
“在構成世界的主要粒子中，介子數量很少，介子衰變時多出來的正物質并不足以形成現在的世界?！蓖踬O芳說。
與數量稀少的介子不同，重子是構成世界的主要粒子?！叭绻茉谥刈又姓业紺P破壞，我們就能夠更好地理解宇宙原初反物質消失之謎?！蓖踬O芳說。
遺憾的是，科學家從未在重子衰變中發(fā)現過CP破壞，原因在于“弱衰變信號有時會被強相互作用掩蓋”。
“所以要想看到重子的CP破壞，就需要有足夠高靈敏度和創(chuàng)新性的實驗方法，把弱相互作用與強相互作用的信號區(qū)分開來?！蓖踬O芳說。
超子是重子中的一種，類似于質子，但壽命很短，因此不像質子那樣可以存在于我們身邊。
在超子中，有一個名叫“科西超子”的成員，由兩個奇異夸克和一個輕夸克組成，當奇異夸克發(fā)生弱衰變時，它便消失了。
超子衰變被科學家視為“尋找CP破壞的一個很有希望的狩獵場”，因為測量CP破壞時需要的一些信息可以通過超子的衰變直接測量。
發(fā)現了高精度測量方法
從2009年起，BESIII實驗從正負電子對撞出的“碎片”中，收集到了約100億J/psi粒子。
這種名叫“J/psi”的粒子會衰變產生正—反科西超子，之后，正—反科西超子還會繼續(xù)衰變、消失。
BESIII實驗組的科研人員用了100億粒子事例中的13億，分析出了正—反科西超子的誕生過程，重建出7萬多個正—反科西超子對。
如此一來，BESIII就成了一個干凈、小巧的科西超子“工廠”。
“干凈”是因為本底污染率小于千分之一水平?！靶 笔且驗锽ESIII實驗中，超子產額并不算多。“巧”是因為BESIII實驗的敏感度足夠高。
“我們的超子產額只有美國費米實驗室一個叫HyperCP實驗產額的千分之一，但單事例的敏感度是HyperCP單事例的一千倍?！盉ES III實驗發(fā)言人、中科院高能物理研究所研究員李海波說。
在分析數據時，BESIII實驗組的科研人員發(fā)現了一種高精度測量超子CP破壞的方法。
早先，他們發(fā)現，剛衰變出來的正科西超子和反科西超子之間存在一種特殊的現象——“量子糾纏”。
于是，利用這種獨特的量子糾纏效應，再結合科西超子其他數據信息，實驗人員不僅從海量數據中同時找出了正科西超子、反科西超子的衰變信號，還以前所未有的精度測量出正—反科西超子的不對稱參數。
“新方法解決了30年來不能同時高效地對超子和其反粒子測量的困境，也給出了更豐富的CP破壞測量結果?！崩詈２ㄕf。
“這一成果已經引起國際同行的關注，相關研究人員被2021年國際輕子光子大會邀請作大會專題報告，成為這一領域的新星?！蓖踬O芳說。
暫未發(fā)現新物理現象，
將分析更多數據
遺憾的是，BESIII實驗組此次的測量結果并沒有顯示出超子的CP破壞跡象。即便如此，新方法的發(fā)現依然得到了國際匿名評審的認可。
一位匿名評審點評說：“即使尚未發(fā)現CP破壞的新跡象，但研究方法上仍然很有趣?！绷硪晃荒涿u審認為：“新方法為將來的實驗指明了方向，鋪平了道路?！?/span>
“這一創(chuàng)新方法為我們未來確認或排除超出標準模型的CP破壞來源帶來了希望?！蓖踬O芳說。
抱著這樣的希望，實驗組正在向更高的測量精度發(fā)起挑戰(zhàn)。
“我們希望在不遠的將來，能夠用這種測量方法發(fā)現超子CP破壞的實驗證據?！蓖踬O芳表示，BESIII實驗組正在分析100億粒子衰變數據，測量精度有望再提高3倍左右。
目前，這支由我國主要開展研究的實驗團隊面臨著激烈的國際競爭。
“歐洲核子中心的大型強子對撞機底夸克探測器（LHC-b）也正在大量制造超子。不過，他們的本底污染率比我們高?！崩詈２ǜ嬖V《中國科學報》，BESIII實驗組在測量上的優(yōu)勢在于BESIII實驗“完美的探測器設計”。
BESIII是我國歷史上最早的粒子物理大科學裝置——北京正負電子對撞機上的探測器。它關注兩個科學問題：夸克如何組成物質粒子和宇宙物質—反物質不對稱的起源。
王貽芳介紹，從2009年至今，BESIII實驗已經發(fā)表了400余篇研究成果。該探測器計劃運行到2030年。
作為我國自主研發(fā)的大型高能實驗裝置，BESIII實驗吸引了來自17個國家80家科研機構的約500個科研人員，是目前國內正在運行的最大國際合作組。此次發(fā)表的新成果由中國科學家和國外合作者共同完成。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04624-1
