(中國原子能科學(xué)研究院 周書華 編譯自Hiroaki Aihara. Physics，May 29，2019)

在基本粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，電荷—宇稱(CP)對稱性是嚴(yán)格遵守的，但在夸克之間的弱相互作用中是違反的。理論認(rèn)為，在弱相互作用中CP對稱性的破壞，可能使早期宇宙中產(chǎn)生的物質(zhì)比反物質(zhì)多。

在量子物理體系中，CP是一個(gè)算符，其作用是將粒子轉(zhuǎn)換成其反粒子，同時(shí)進(jìn)行空間變量的鏡像反演。如果一個(gè)反應(yīng)或衰變在CP轉(zhuǎn)換后保持原來不變，就稱為是CP對稱的。在與基本粒子有關(guān)的3 種相互作用中，電磁和強(qiáng)相互作用是CP對稱的，而弱相互作用不是。

弱相互作用中CP 違反是1964年在美國的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)觀察到，由1 個(gè)反奇異夸克和1 個(gè)下夸克組成的K₂⁰ 介子，在很少數(shù)情況下衰變成兩個(gè)π介子。這種衰變要求對稱性破壞。此后，在B 工廠的觀測確定了B 介子(含有美麗夸克——又稱底夸克)的CP 違反。為解釋這些觀測，理論學(xué)家們提出了Cabibbo—Kobayashi—Maskawa(CKM)模型，該模型假定6種夸克是“混合”的。這種“混合”描述，例如，1 個(gè)美麗夸克通過弱相互作用轉(zhuǎn)變成1 個(gè)上夸克的概率。由于CP違反，此概率將不同于1 個(gè)反美麗夸克轉(zhuǎn)變成1 個(gè)反上夸克的概率。

按照CKM模型，奇異夸克CP不對稱性只有千分之幾，而美麗夸克達(dá)到0.7。粲夸克CP 違反要小得多，非對稱性在10^-4到10^-3之間。研究人員通過研究D介子尋找粲夸克的CP違反，D介子是含有粲夸克的最輕的粒子。由于預(yù)期的非對稱性很小，需要研究大量的D和反D介子。CERN大型強(qiáng)子對撞上的LHCb探測器重約4500 噸，專門為研究含有粲夸克或美麗夸克的粒子而設(shè)計(jì)?？墒占吣苜|(zhì)子—質(zhì)子對撞中產(chǎn)生的每個(gè)粒子的種類、軌跡、動(dòng)量和能量，可以從對撞點(diǎn)發(fā)射出的幾十億個(gè)粒子中挑選出特定的粒子。

最新的LHCb 實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行鏡像反演時(shí)，粲夸克與反粲夸克行為不同

相同數(shù)量的中性D(D⁰)和反中性D 介子( )是作為質(zhì)子—質(zhì)子碰撞中的初始產(chǎn)物或B介子衰變的次級產(chǎn)物生成的。LHCb 具有超強(qiáng)能力可在一特定事件中將D⁰與區(qū)分開。實(shí)驗(yàn)積累了大量數(shù)據(jù)，提取出約5 千3 百萬個(gè)D→K^-K 衰變，此外，數(shù)據(jù)中還包括1 千7百萬個(gè)D→ π^- π 衰變，其中D代表D⁰和。

每一衰變中CP 非對稱性由D0 衰變成K^-K ( π^- π )的數(shù)目與衰變成K^-K ( π^- π )的數(shù)目之間的非對稱性給出。為了消除小的非CP貢獻(xiàn)，如探測效率和質(zhì)子—質(zhì)子碰撞中粒子產(chǎn)生機(jī)制的非對稱性，實(shí)驗(yàn)測量了在D→K^-K 和D→ π^- π 衰變中CP非對稱性之間的差別。得到的結(jié)果為(－1.54±0.29)×10^-3。距0(或無非對稱性)5.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，清楚地確定了在粲介子衰變中的CP違反。

在夸克系統(tǒng)中CP違反對于奇異夸克和美麗夸克早已確定，這兩種夸克屬于電荷等于－1/3e 的類別，LHCb 的結(jié)果首次證實(shí)電荷為 2/3e的粲夸克的CP非對稱性。所得到的結(jié)果處于標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期的上限10^-4到10^-3。理論學(xué)家已闡明，在所有夸克中的CP違反的程度不足以解釋宇宙中物質(zhì)多于反物質(zhì)。這意味著標(biāo)準(zhǔn)模型并非完整的理論，尚有未知的粒子和相互作用等待著被發(fā)現(xiàn)。

許多超出標(biāo)準(zhǔn)模型的理論預(yù)言， 2/3e 電荷的夸克系統(tǒng)具有增強(qiáng)的CP 違反。粲夸克小的CP 非對稱性可能很有價(jià)值。如果，例如一種標(biāo)準(zhǔn)模型外的相互作用增加了10^-3的CP非對稱性，這在粲夸克中比在奇異夸克和美麗夸克中更值得注意，后兩者標(biāo)準(zhǔn)模型CP違反相對較大。LHCb 結(jié)果目前的精度，還不能確定是否未知的粒子和相互作用影響著粲夸克系統(tǒng)的CP違反。但是隨著更多數(shù)據(jù)的收集，粲夸克系統(tǒng)可能用作探尋超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的工具。

更多內(nèi)容詳見Phys. Rev.Lett.，2019，122：211803。