物质与反物质：LHC 的发现可以解释宇宙如何避免湮灭

Matter 和反物质应该在亿万年前就把彼此彻底消灭了，留下宇宙一个非常空旷的地方。

显然这并没有发生。大型强子对撞机 （LHC） 的实验可能发现了我们如何避免这场世界末日的新线索，暗示了称为重子的粒子及其反物质孪生体的衰变存在惊人的差异。

反物质应该与常规物质基本相同，只是它的反粒子与它们的相应粒子具有相反的电荷。不过，这种微小的差异会产生重大后果——如果两者相遇，它们会在一股能量中相互湮灭。

模型表明Big Bang应该以相等的数量创造物质和反物质，但这意味着在那些早期形成的粒子总和早在恒星、行星和生命形成之前就已经抵消了。

既然我们首先在这里思考这个谜题，很明显有什么东西介入了。通过某种未知的机制，宇宙似乎只剩下比反物质多一点的物质。

欧洲核子研究组织 （CERN） 物理学家现在分析了 LHC 数据，发现了令人信服的证据，证明物质和反物质的行为方式还有其他差异，导致了这种不平衡，而我们赖以生存正是这种不平衡。

理论上，所有粒子都应该受到所谓的电荷奇偶性 （CP） 对称性.基本上，如果你把宇宙中所有粒子的电荷翻转过来，并反转它们的空间坐标，那么这个镜像宇宙仍然应该遵循与我们自己的物理定律相同的所有定律。

但事实证明，一些互动违反这种对称性。一个具有里程碑意义的 1964 年实验发现名为 K 的粒子₂介子偶尔会衰变成它们在不违反 CP 对称性的情况下无法衰变的产物。这种情况非常罕见——大约每 1000 次衰变事件中就有 2 次——但这足以颠覆当时公认的物理学观点。

后来几十年的许多实验发现类似违规行为在其他颗粒，但仅限于其他类型的介子。这不足以解释反物质的稀有性。尚未在重子中观察到 CP 违规，重子是构成宇宙中大部分可观测物质的另一类主要粒子。

这项新研究现在终于确定了重子中的 CP 违规，使用了类似于 1964 年研究的实验设置——尽管规模要大得多。而不是 K₂介子，该团队专注于称为 Beauty-lambda 重子 （Λ_b） 及其反粒子。

如果 CP 对称性起作用，则 Λ_b和抗 Λ_b粒子应以相同的速率衰减。但是，如果两者之间存在显着差异，那就是违反 CP 的迹象。

LHCb 合作的研究人员分析了 2009 年至 2018 年间 LHC 前两次运行期间捕获的数万次衰变。有趣的是，他们发现物质衰变和反物质衰变之间的差异约为 2.45%。这与零相差 5.2 个标准差，使其成为足够大的差异确认观察到 CP 冲突。

“在重子中观察到 CP 违规的时间比在介子中花费的时间更长的原因是效应的大小和可用数据，”说Vincenzo Vagnoni，LHCb 合作发言人。

“我们需要像 LHC 这样的机器，能够产生足够多的美丽重子及其反物质对应物，我们需要在这台机器上进行实验，能够精确定位它们的衰变产物。

“我们经历了 80,000 多次重子衰变，才第一次看到这类粒子的物质-反物质不对称性。”

这一重大突破可以为品牌提供线索新力量和粒子，这可能有助于解开为什么反物质没有湮灭宇宙的全部内容的谜团。

“我们观察 CP 违规行为的系统越多，测量越精确，我们测试的机会就越多标准型号并寻找超越它的物理学，”瓦格诺尼说.

该研究已提交给该杂志自然界，预同行评审版本目前可在arXiv.

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