2019 年3 月，歐洲核子研究中心(CERN)的物理學(xué)家宣布，他們?cè)隰涌淇讼到y(tǒng)中也找到物質(zhì)和反物質(zhì)不完全對(duì)稱的證據(jù)?！拔镔|(zhì)和反物質(zhì)”、“對(duì)稱與不對(duì)稱”，這究竟是怎么一回事呢？讓我們從頭說(shuō)起。

1900 年，物理學(xué)家開(kāi)爾文男爵在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)上發(fā)表演講，他在展望20 世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)，敏銳的指出了當(dāng)時(shí)物理學(xué)的兩個(gè)最重要的問(wèn)題，并形象的把這兩個(gè)問(wèn)題比喻為物理學(xué)天空上的兩朵烏云。后來(lái)，對(duì)于這兩朵“烏云”的研究，終于釀成了一場(chǎng)顛覆傳統(tǒng)物理學(xué)大風(fēng)暴，并由此分別建立了20世紀(jì)物理學(xué)領(lǐng)域最偉大的兩個(gè)分支：相對(duì)論和量子理論。相對(duì)論描述了一種全新的時(shí)空觀，而描述那些如原子一般非常小的尺度的世界的規(guī)律的理論則是量子理論。

1928 年，年輕的英國(guó)物理學(xué)家保羅·狄拉克(Paul Dirac)寫(xiě)下了電子量子理論的方程式，這個(gè)方程成功的描述了電子在微觀世界的行為，并不帶矛盾地同時(shí)遵守了狹義相對(duì)論與量子力學(xué)兩者的原理。然而這個(gè)方程有一個(gè)奇怪的屬性：它有兩個(gè)解，其中的一個(gè)解對(duì)應(yīng)了電子的運(yùn)動(dòng)。而另一個(gè)解，則明顯在描述一種帶有負(fù)能量的粒子。當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為，狄拉克方程的第二個(gè)解實(shí)際上是在描述一種普通的帶有正能量的電子的反粒子，也就是所謂的正電子。

圖1 安德森觀測(cè)到的正電子在云室中留下的軌跡的照片。正電子從下往上運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)中穿過(guò)一層薄薄的鉛板之后，改變了軌跡彎曲的曲率。軌跡彎曲的方向表明，正電子與正常電子所帶的電荷相反

四年之后的1932 年，美國(guó)物理學(xué)家卡爾·安德森(Carl Anderson)在實(shí)驗(yàn)中利用云室第一次觀測(cè)到了正電子的軌跡。也正是此發(fā)現(xiàn)，使得人類第一次揭開(kāi)了反物質(zhì)的面紗。反粒子是相對(duì)于正常的粒子而言的，它們的質(zhì)量、壽命等都與正常的粒子相同，但是所有的內(nèi)部相加性量子數(shù)，比如電荷等，卻都與正常粒子大小相同、符號(hào)相反。除了與正粒子相對(duì)的反粒子之外，還有一些所有內(nèi)部相加性量子數(shù)都為0 的純中性粒子，這種粒子反粒子就是它本身，比如光子。而自從正電子被發(fā)現(xiàn)以后，人類就沒(méi)有停下過(guò)探索反物質(zhì)的腳步。

與狄拉克和安德森同一個(gè)時(shí)代，天文學(xué)家們正在尋求用另一種方式來(lái)理解我們的宇宙。在20世紀(jì)20 年代，美國(guó)的天文學(xué)家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)通過(guò)對(duì)星空的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)處的星系的光譜出現(xiàn)了波長(zhǎng)增加、頻率降低的現(xiàn)象。由于這種現(xiàn)象在可見(jiàn)光波段，表現(xiàn)為光譜的譜線朝紅色的一端移動(dòng)了一段距離，因而被人們稱之為紅移。光的紅移是由多普勒效應(yīng)引起的。就像當(dāng)警車經(jīng)過(guò)時(shí)，多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致警車警笛聲改變音高。當(dāng)警車向觀察者移動(dòng)時(shí)，聲音的波長(zhǎng)會(huì)被壓縮，但是當(dāng)警車離開(kāi)時(shí)波長(zhǎng)則會(huì)被拉長(zhǎng)，光的波長(zhǎng)也會(huì)因與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而變化。哈勃發(fā)現(xiàn)，從地球到達(dá)這些遠(yuǎn)處的星系的距離正比于這些星系的紅移，由于出現(xiàn)了光的紅移現(xiàn)象，說(shuō)明宇宙中星系間的距離正在不斷的成比例增大，進(jìn)而我們可以推斷在遙遠(yuǎn)的過(guò)去，宇宙中星系間的距離曾經(jīng)很近。物理學(xué)家進(jìn)一步大膽推測(cè)，在其誕生之初，宇宙曾經(jīng)處于一個(gè)極高溫度極高密度的狀態(tài)，這就是宇宙大爆炸理論的雛形。

根據(jù)宇宙大爆炸的理論，我們的宇宙開(kāi)始于一個(gè)密度和溫度都無(wú)限高，均勻并且各向同性的純能量狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)被稱為奇點(diǎn)。在如今大多數(shù)常見(jiàn)的宇宙大爆炸的模型中，早期的宇宙曾經(jīng)歷了一次暴脹的過(guò)程，在這個(gè)暴脹的過(guò)程中，基本粒子被創(chuàng)造了出來(lái)，純能量轉(zhuǎn)化成了大量高速運(yùn)動(dòng)的粒子－反粒子對(duì)，而粒子-反粒子對(duì)在此期間也通過(guò)碰撞不斷地創(chuàng)生和湮滅，因此宇宙中此時(shí)的粒子和反粒子的數(shù)量相等。這時(shí)的宇宙就像是一鍋充滿了夸克和膠子以及其他基本粒子的湯。此時(shí)某一種機(jī)制導(dǎo)致了夸克和反夸克的數(shù)量出現(xiàn)了細(xì)微的差異，隨著宇宙進(jìn)一步的膨脹和冷卻，夸克和膠子逐漸組成了像是質(zhì)子和中子這樣的粒子。由于此時(shí)宇宙的溫度已經(jīng)降低到不足以產(chǎn)生新的質(zhì)子-反質(zhì)子對(duì)或中子－反中子對(duì)，原先產(chǎn)生的正反粒子對(duì)大量的湮滅，只有大約占原先數(shù)量十億分之一的正物質(zhì)質(zhì)子和中子被留了下來(lái)，而對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子則全部湮滅殆盡。電子和正電子稍后經(jīng)歷了類似的過(guò)程，同樣，只有那細(xì)微差異下多出來(lái)的那部分電子被留了下來(lái)。后來(lái)的宇宙經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的演化，合成了原子，誕生了恒星，星系，乃至生命。而這一切的一切，都只不過(guò)是那十億分之一殘留的正物質(zhì)。

圖2 描述宇宙大爆炸及之后演化過(guò)程的藝術(shù)構(gòu)想圖。其中橫坐標(biāo)表示宇宙演化的時(shí)間，而對(duì)應(yīng)的空間尺寸用相應(yīng)的圓橫截面表示

然而，究竟是什么導(dǎo)致了正粒子和反粒子之間最初的那細(xì)微的差異？對(duì)此，人類從未停止過(guò)探索。而這探索，要從人類對(duì)于對(duì)稱性的探索開(kāi)始講起。

20 世紀(jì)50 年代之前，人類從未懷疑過(guò)物理學(xué)中“對(duì)稱性”這一簡(jiǎn)樸而又古老的觀念。向左旋轉(zhuǎn)的小球和向右旋轉(zhuǎn)的小球遵循著相同的物理規(guī)律，帶有正電荷的物體和帶有負(fù)電荷的物體同樣遵循著相同的物理規(guī)律，甚至，如果讓時(shí)間倒流，運(yùn)動(dòng)的物體依然會(huì)遵循和我們真實(shí)世界相同的物理規(guī)律。近代的物理學(xué)家則進(jìn)一步證明了各種對(duì)稱性和各種物理守恒定律之間的關(guān)系。

然而在1956 年，為了解釋為何兩種質(zhì)量和壽命相同，看起來(lái)像是同一種的粒子的θ 粒子和τ 粒子(后來(lái)被證實(shí)其實(shí)就是同一種粒子，現(xiàn)在叫做K 介子)，卻有著不同的宇稱量子數(shù)和不同的衰變產(chǎn)物，李政道和楊振寧提出，在弱相互作用(自然界中的四種基本相互作用力之一)中，微觀的粒子的行為可能不存在宇稱量子數(shù)的守恒。宇稱的守恒對(duì)應(yīng)的對(duì)稱性是“左”和“右”的對(duì)稱，李政道和楊振寧的推測(cè)也就是說(shuō)在微觀世界中，“左”和“右”的物理規(guī)律并不完全相等同。

這個(gè)推測(cè)在當(dāng)時(shí)的年代頗具震撼力，打破了被千百年來(lái)人類視為金科玉律的觀念。第二年，華裔科學(xué)家吳健雄女士等科學(xué)家在對(duì)鈷60(⁶⁰Co)衰變的觀測(cè)中證實(shí)了這項(xiàng)推測(cè)，她利用兩套裝置中互為鏡像的鈷60 設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，一套裝置中的鈷60 原子核自旋方向轉(zhuǎn)向左旋，另一套裝置中的鈷60 原子核自旋方向轉(zhuǎn)向右旋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在極低溫的情況下兩套裝置中放射出來(lái)的電子數(shù)有很大差異，進(jìn)而證實(shí)了李政道和楊振寧的假說(shuō)。同年，李政道和楊振寧因?yàn)檫@一項(xiàng)劃時(shí)代的假說(shuō)，獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

巧合的是，幾乎同一時(shí)期，荷蘭的畫(huà)家埃舍爾(M. C. Escher)，也在熱衷于用藝術(shù)表達(dá)對(duì)于對(duì)稱性的理解。在埃舍爾的作品《白天與黑夜》中，畫(huà)面的左右?guī)缀醴瓷珜?duì)稱，然而細(xì)節(jié)卻有微小的差異，這似乎和粒子物理學(xué)中“左”“右”的對(duì)稱性及其破缺不謀而合。

在弱相互作用下的宇稱的對(duì)稱性破缺被發(fā)現(xiàn)后不久，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)在弱相互作用下，電荷共軛的對(duì)稱性也是破缺的。此時(shí)，列夫·朗道(Lev Landau)以及李政道和楊振寧認(rèn)為，電荷－宇稱(CP)兩個(gè)量子數(shù)的聯(lián)合，應(yīng)該保持著良好的對(duì)稱性。電荷－宇稱對(duì)稱性的守恒可以使得粒子和反粒子遵循著相同的物理規(guī)律。

在20 世紀(jì)50 年代，科學(xué)家們?cè)趯?duì)于K介子等粒子的研究中發(fā)現(xiàn)了很多奇異的現(xiàn)象，因而K介子等

圖3 李政道（右）與楊振寧（左）

圖4 吳健雄女士

圖5 埃舍爾作品《白天與黑夜》，畫(huà)面中隱喻的信息和李政道與楊振寧的宇稱不守恒離理論不謀而合

圖6 利用埃舍爾的作品來(lái)理解宇稱共軛與電荷共軛。宇稱共軛導(dǎo)致圖像左右翻轉(zhuǎn)，而電荷共軛則使圖像黑白顛倒，二者共同作用時(shí)，圖像與原始圖像類似

粒子所帶有的夸克也被命名為“奇異夸克”。在1964年，科學(xué)家們?cè)谄娈惪淇说慕樽铀プ冎校l(fā)現(xiàn)了另一個(gè)更加“奇異”更加難以讓人接受的事實(shí)：電荷－宇稱聯(lián)合的對(duì)稱性似乎也不守恒。在電中性K介子的衰變中，詹姆斯·克羅寧(Jim Cronin)和瓦爾·菲奇(Val Fitch)發(fā)現(xiàn)，本應(yīng)衰變成三個(gè)π介子的長(zhǎng)壽命K介子，卻有一些衰變成了兩個(gè)π介子。這種衰變模式是電荷－宇稱對(duì)稱性的守恒所不允許的?？肆_寧和菲奇的研究結(jié)果給理論界帶來(lái)了巨大的沖擊，也為他們帶來(lái)了1980年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

為了解釋電荷－宇稱對(duì)稱性的破缺，1973 年，在意大利物理學(xué)家尼古拉·卡比博(Nicola Cabibbo)的研究的基礎(chǔ)上，日本科學(xué)家小林誠(chéng)和益川敏英建立了卡比博－小林－益川矩陣，給出了電荷－宇稱對(duì)稱性的破缺存在的必要條件，并在當(dāng)時(shí)只發(fā)現(xiàn)了三個(gè)夸克的情況下預(yù)言了六個(gè)夸克的存在。1974年，伯頓·里克特(Burton Richter)和丁肇中的團(tuán)隊(duì)分別同時(shí)發(fā)現(xiàn)了第四種夸克——粲夸克，并因此獲得了兩年后的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后，底夸克與頂夸克分別于1977 年和1995 年在加速器中被發(fā)現(xiàn)。至此，夸克的六種“味道”被全部發(fā)現(xiàn)。六種夸克，以及輕子和相互作用的傳播媒介一起，組成了如今粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。

圖7 粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型

電荷－宇稱對(duì)稱性破缺的發(fā)現(xiàn)為解釋宇宙中為何只有正物質(zhì)殘留了下來(lái)這一粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的核心問(wèn)題開(kāi)拓了一條大道。為了更準(zhǔn)確的研究這一問(wèn)題，人類搭建了一些偉大的實(shí)驗(yàn)。從20世紀(jì)末開(kāi)始，位于美國(guó)斯坦福直線加速器中心(SLAC)的BaBar 實(shí)驗(yàn)，和位于日本筑波高能加速器研究機(jī)構(gòu)(KEK)的Belle 實(shí)驗(yàn)成為了研究電荷－宇稱對(duì)稱性破缺的主力。這兩個(gè)探測(cè)器實(shí)驗(yàn)因?yàn)檠芯磕繕?biāo)都是與含有底夸克的B 介子相關(guān)的物理問(wèn)題，并且運(yùn)行于有利于B 介子產(chǎn)生的能量區(qū)間，因而被人們稱之為B 介子工廠。BaBar 實(shí)驗(yàn)和Belle實(shí)驗(yàn)在2001 年分別發(fā)現(xiàn)了B介子的電荷－宇稱對(duì)稱性的破缺現(xiàn)象，并為小林誠(chéng)和益川敏英帶來(lái)了2008年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2009 年，人類有史以來(lái)建設(shè)的最大的科學(xué)裝置，位于歐洲核子研究中心的，橫跨瑞士法國(guó)邊界，周長(zhǎng)27 千米的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)正式開(kāi)始取數(shù)運(yùn)行。在LHC上，有一個(gè)專門(mén)研究含有粲夸克和底夸克的粒子以及電荷－宇稱對(duì)稱性的破缺的實(shí)驗(yàn)——LHCb 實(shí)驗(yàn)。在過(guò)去的10 年里，LHC 以及LHCb 經(jīng)歷了兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)獲取過(guò)程，并積累了空前大量的粲介子衰變數(shù)據(jù)。2019 年3 月21 日，LHCb 實(shí)驗(yàn)合作組宣布，他們?cè)谟兄鴶?shù)千萬(wàn)個(gè)中性粲介子衰變的樣本中找到了粲夸克系統(tǒng)的電荷－宇稱對(duì)稱性破缺的證據(jù)。至此，標(biāo)準(zhǔn)模型中所有可以觀測(cè)到電荷－宇稱對(duì)稱性破缺的夸克系統(tǒng)中都觀測(cè)到的相應(yīng)的證據(jù)，卡比博－小林－益川機(jī)制得到了進(jìn)一步的證實(shí)。

圖8 LHCb實(shí)驗(yàn)探測(cè)器

3 月21 日的發(fā)現(xiàn)為利用粲夸克研究電荷－宇稱對(duì)稱性破缺打開(kāi)了一扇門(mén)，然而，這只是開(kāi)始的結(jié)束，科學(xué)探索永遠(yuǎn)是一個(gè)進(jìn)行時(shí)，擺在物理學(xué)家面前的未知還有很多很多。粲夸克系統(tǒng)電荷－宇稱對(duì)稱性破缺的程度是否與標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)期相一致？宇宙中正反物質(zhì)的不對(duì)稱是否還有其他根源？電荷－宇稱－時(shí)間(CPT)三者的聯(lián)合是否才具有完美的對(duì)稱性？這一切仍然都是留給物理學(xué)家們的待探索的謎題。

在LHCb實(shí)驗(yàn)宣布發(fā)現(xiàn)粲夸克系統(tǒng)的電荷－宇稱對(duì)稱性破缺的四天之后，2019 年3 月25 日，日本的Belle 實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)了將近十年的停機(jī)升級(jí)調(diào)試，終于以一個(gè)全新的姿態(tài)回到了粒子物理研究數(shù)據(jù)獲取的第一線。全新的Belle-II 實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)了升級(jí)，數(shù)據(jù)獲取能力提升了50 倍，并在3 月25 日完成了升級(jí)之后的第一次物理對(duì)撞數(shù)據(jù)的獲取。

圖9 Belle-II實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的3D截面圖

而LHCb 實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器則于2018 年年底開(kāi)始了一次為期兩年半的升級(jí)過(guò)程。新的LHCb探測(cè)器將在2021 年重新加入與Belle-II 實(shí)驗(yàn)的競(jìng)爭(zhēng)中來(lái)。未來(lái)的許多年，LHCb 實(shí)驗(yàn)與Belle-II 實(shí)驗(yàn)將在電荷－宇稱對(duì)稱性的破缺的探索道路上繼續(xù)砥礪前行，共同探索更多關(guān)于反物質(zhì)的謎題。