宇宙中那微小的不对称：重子CP破坏首次得到实验验证

摘要：3月25日，欧洲核子中心宣布，科学家们成功找到了重子CP破坏的实验证据。若这一结果为真，那么将成为人类对于CP破坏认知的又一里程碑，帮助我们进一步认知宇宙的演化的过程。

导读：

根据理论，CP破坏是宇宙演化到如今的模样的必然条件。但物理作为一门实验学科，需要切实的证据来验证。

3月25日，欧洲核子中心宣布，科学家们成功找到了重子CP破坏的实验证据。若这一结果为真，那么将成为人类对于CP破坏认知的又一里程碑，帮助我们进一步认知宇宙的演化的过程。

今天，欧洲核子研究中心正式发布了一项研究成果[1]，来自大型强子对撞机底夸克（LHCb）实验合作组的科学家终于找到了重子CP破坏的实验证据。此研究结果的文章已发布在预印本网站arXiv上[2]。

昨天晚上，在“Moriond 电弱相互作用与统一理论”会议上，这一研究成果已首次在会议现场公开，在场的科学家都情绪激动，甚至为此发现举办了一个小型庆祝活动。

那么，什么是CP破坏？这项研究有什么意义？为什么这项研究成果会让科学家们如此激动？中国科学家在此项发现中又发挥了什么作用？

SAIXIANSHENG

对称的“镜子”：从“P”到“C”，再到“CP”

当我们凝视一片完美对称的雪花，或是欣赏蝴蝶炫美的双翅时，总能感受到自然界暗藏的几何美感。当我们仰望名楼古刹，或站立在庄重威严的宫殿的中轴线上时，也总能感受到历史先辈对于对称美的追求。不论是在自然界中，还是在人文社会中，对称，尤其是“左”和“右”的对称，似乎总是和“美”有关。

其实，对称性，不仅仅能带来视觉的和谐，更是宇宙基本法则的深刻体现。向左旋转的小球，和向右旋转的小球，可以有完美对称的运动轨迹。如果你观察镜中的世界，你也不会感觉到镜中世界的物体运动行为怪异。这就是因为，物理规律，对于“左”和“右”，似乎总是相同的。

这似乎是一条金科玉律，似乎是理所应当的，对于宏观和微观的世界，这条规律似乎都应该成立。至少，在1956年以前，科学家们也确实是这么认为的。

1956年，为了解释两种质量和寿命相同，看起来像是同一种的粒子的θ+粒子和τ+粒子（后来被证实它们其实就是同一种粒子，现在叫做K+介子），却有着不同的宇称量子数和不同的衰变产物，李政道和杨振宁提出，在弱相互作用（自然界中的四种基本相互作用力之一）中，微观的粒子的行为可能不遵守宇称量子数的守恒。在微观世界中，“左”和“右”的对称被描述为“宇称（Parity，P）”量子数的守恒。李政道和杨振宁的理论就是说，在微观的粒子世界中，“左”和“右”的物理规律并不完全相同。

这是一个反直觉的理论，但却能解释当时在微观世界观测到的现象，因此，这个理论引起了很多实验物理学家的兴趣。然而，物理学毕竟是一门实验科学，理论对不对，需要实验来验证。很快，华裔科学家吴健雄就根据李杨的理论，利用两套装置中互为镜像的钴60设计了一个实验（如图1所示）。其中，一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，结果发现在极低温的情况下两套装置中放射出来的电子数有很大差异，这一实验结果证实了微观世界中的宇称不守恒。（相关文章：我的奶奶吴健雄博士）所以，仅仅在理论被提出一年之后，李政道和杨振宁就获得了诺贝尔物理学奖。这也说明“左”和“右”对称性的打破有多么重要的物理意义。

图1: 吴健雄验证弱相互作用下宇称不守恒的实验

在上个世界中叶，和“左右”的对称性类似，另外一种微观世界的对称性也引起了科学家们的注意，那就是“正电荷”与“负电荷”之间的对称性。

自从科学家对原子结构有了初步了解之后，一个问题就一直萦绕在科学家的心头，那就是为什么原子核总是带正电荷，核外的电子总是带负电荷？有没有一种物质，它原子结构的电荷分布与我们身边所有的物质对称，也就是说，有没有一种原子核带负电荷，核外电子带正电的物质？科学家们把这种假想中的物质叫做“反物质”，组成反物质的粒子就叫做“反粒子”，而将带正电荷的粒子替换为带负电荷的粒子的操作，就叫做“电荷共轭（Charge Conjugation，C）”。

1928年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）在研究氢原子能级分布时，写下了狄拉克方程，这个方程可以描述一正、一反两个粒子的行为，预言了反物质的存在。1932年，美国物理学家卡尔·安德森（Carl David Anderson）在观测宇宙射线穿过铅板后在磁场中的云室里留下的轨迹的照片时，发现了一种“与电子很像，但是带正电”的粒子。安德森把这种粒子正式命名为“正电子”，这便是人类第一次发现反物质。

虽然，在自然界中，反物质极其稀有，但是，由于科学家对于物理规律的对称性的执念如此之深，因此，电荷共轭前后的粒子自然而然地被假设会遵循相同的物理规律。

然而，还是那句话，物理学是一门实验科学，在假设被实验严谨的验证之前，只能停留在假设的阶段。只有经过实验证实或证伪的假设，才能推动人类对科学的认知向前迈进一步。

在“左”和“右”的对称性被打破之后，科学家们对于物理规律的对称性的探索没有停息，他们开始思考，是否有凌驾于“左右”对称性之上的更高等级的对称性。一些科学家，包括列夫·朗道（Lev Davidovich Landau）以及李政道和杨振宁认为，宇称不守恒，电荷共轭或许也不守恒，但是，电荷共轭和宇称（CP）两个量子数的联合，应该保持着良好的守恒性。

这一假设，被利昂·莱德曼（Leon Max Lederman）等科学家设计的一个实验所证实。他们在实验中观察了带电π介子衰变成一个μ子和一个中微子的过程，在这个过程中π介子的自旋为0，μ子和中微子的自旋均为1/2。这里，“自旋”是一类描述微观粒子性质的量子数，在衰变过程前后会遵循特定的守恒规律，并且是可以有方向的，而自旋在粒子动量方向上的投影被称为“螺旋度”。那么，就像图2中表示的那样，μ子和中微子动量方向总是相反，μ子和中微子的自旋方向也总是相反，因此，我们期望它们各自自旋在动量方向上的投影，也就是螺旋度总是相同的。

对于中微子来说，如果电荷共轭和宇称都是守恒的，那么我们就会期望既有左旋的中微子，又有右旋的中微子，既有左旋的反中微子，又有右旋的反中微子。

然而，实验上的观测到结果是，只发现了左旋的中微子，以及右旋的反中微子。没有发现右旋的中微子和左旋的反中微子，所有的中微子都是左撇子！这就同时证明了电荷共轭和宇称的不守恒。

不过，就像图2所示的关系中，在同时经历了电荷共轭和宇称操作之后，左旋中微子和右旋的反中微子都被观测到了，也就是在这个实验中，电荷共轭-宇称（CP）的联合对称性似乎得以保持。

图2: π介子衰变过程中μ子和中微子的动量与自旋方向示意图。右旋的中微子和左旋的反中微子没有被观测到。

在这里我想用荷兰的画家莫里茨·埃舍尔（Maurits Cornelis Escher）的画作《白天与黑夜》（如图3所示）做一下类比。

图3: 埃舍尔的画作《白天与黑夜》

埃舍尔经常会画一些超现实的画作，他会画一些不可能的空间，但是仔细去观察这些画作里的空间，却能体会到一些数学上的对称。

在这幅画中，左边的平原河流是白天，右边是黑夜，但左右又有一种对称感，我想正好可以用来表达一下空间“左右”与电荷“正负”的联合对称性。

以这幅画做类比，粒子的宇称共轭，也就是左右翻转，会使得原画面中左侧的白天变到右边，右侧的黑夜变到左边，那么粒子的电荷共轭在这幅画上对应黑白翻转，同样，会使左侧从白天变成黑夜，后侧从黑夜变成白天。当我们把两个变换同时进行，既左右翻转，又黑白翻转，那么我们得到的画面，仍然是左侧是白天，右侧是黑夜，和原图类似。如图4所示。

图4: 利用埃舍尔的画作《白天与黑夜》解释电荷共轭与宇称操作

所以，电荷共轭-宇称（CP）的联合对称性似乎是更高等级的、未被打破的对称性，这也就是所谓的CP守恒，也就是说，向左旋转的正物质小球，和向右旋转的正物质小球在微观世界不再遵循相同的物理规律，但向左旋转的正物质小球，和向右旋转的反物质的小球，似乎依然在遵循相同的物理规律。

但是，真的是这样吗？CP的联合对称性真的就牢不可破吗？

在李政道和杨振宁提出弱相互作用下宇称（P）不守恒的理论后仅仅8年后，CP守恒的假设也被实验打破了！

SAIXIANSHENG

打破CP对称的里程碑：介子中的CP破坏

我们知道，我们身边的万物都是原子组成的，原子则是由原子核以及核外的电子组成，原子核里又包含质子、中子，那么，质子、中子就是最基本的粒子了吗？其实还不是，它们都包含了三个夸克。在目前的粒子物理学理论体系中，夸克，是最基本的粒子。

在微观粒子世界中，像质子、中子这样由三个夸克组成的粒子叫做“重子”，除此之外，还有一类粒子是由一个正物质夸克和一个反物质夸克组成的，这类粒子被叫做“介子”。由于组成重子、介子的夸克可以有很多种，所以重子、介子也有很多的种类。有一种介子叫做中性K0介子，理论上，它有两种衰变模式：短寿命的K0S介子会衰变成两个π介子，而长寿命的K0L介子会衰变成三个π介子。

若CP守恒成立，长寿命的K0L不应衰变为两个π介子。但詹姆斯·克罗宁（James Watson Cronin）和瓦尔·菲奇（Val Logsdon Fitch）设计的实验发现，有0.2%的K0L介子衰变会违背这一预期！这一微小却确定的现象表明CP的守恒性是被破坏掉的，这一类现象就被称为“CP破坏”。就像是一对被拆散、不再在一起的“CP（couple）”，在分开后渐行渐远，渐渐走向不同的道路，CP（Charge-Parity）的破坏，也会让正物质和反物质以不同的方式演化、衰变。

为了从理论上解释CP破坏的来源，1973年，在意大利物理学家尼古拉·卡比博（Nicola Cabibbo）的研究的基础上，日本科学家小林诚（Kobayashi Makoto）和益川敏英（Toshihide Maskawa）建立了卡比博－小林－益川矩阵，即CKM理论，给出了电荷－宇称对称性的破缺存在的必要条件，并在当时只发现了三个夸克的情况下预言了六个夸克的存在。之后，底夸克与顶夸克分别于1977年和1995年在粒子加速器中被发现，证实了CKM理论。（相关文章：日本的阿基米德，揭开CP不对称之谜）

那么，CP破坏的存在合理吗？宇宙中的正物质和反物质真的会走上不同的演化道路吗？有没有其他的证据表明，CP破坏现象存在有必要性？

粒子物理学的研究对象，是所有学科中尺度最小的，是微观端的极限。但“CP破坏现象的必要性”这一粒子物理学问题，却从研究对象为“尺度的另一端的极限”——也就是宏观的宇宙——的宇宙学中找到了证据。

上个世纪20年代，天文学家埃德温·哈勃痴迷于对宇宙星空的观测。当时的人们已经了解，如果利用一些特殊的透镜将光分解，特定元素发出的光会留下特定的谱线结构。而哈勃发现，那些距离地球遥远的星体所发出的光，它们的谱线都会向低频率，也就是红色的那一端偏移，这就是红移效应，并且，哈勃发现。与地球距离越远的星体，它们的谱线红移效应越明显。这种红移现象，可以用多普勒效应来解释，这一解释暗示了我们的宇宙是在不断的膨胀。

那么，回溯到宇宙的膨胀开始的那一刻，宇宙究竟发生了什么？

现代的宇宙学的模型假设，我们的宇宙，开始于一个密度和温度都无限高，均匀并且各向同性的纯能量状态，这个状态被称为奇点。在如今大多数常见的宇宙大爆炸的模型中，早期的宇宙曾经历了一次暴胀的过程，在这个暴胀的过程中，基本粒子被创造了出来，纯能量转化成了大量高速运动的粒子－反粒子对，而粒子－反粒子对在此期间通过碰撞不断地创生和湮灭，因此宇宙中此时的正反物质粒子的数量相等。

再往后的宇宙演化，正物质与反物质的粒子数量产生了差异，这也造就了如今可观测宇宙中，正物质占绝对主导，反物质几乎不存在的现状。

那么，我们的宇宙从大爆炸开始时正反物质相等的状态，演化成如今正物质主导的状态，这个过程的发生需要什么条件？

前苏联的氢弹之父、物理学家安德烈·萨哈洛夫（Andrei Dmitriyevich Sakharov）提出了上述过程发生的三个条件，分别是：

一，存在一个破坏重子数守恒的过程。

二，存在破坏“电荷共轭变换”不变性和“电荷共轭－空间反演联合变换”不变性的相互作用。

三，前两个过程应该发生在偏离热平衡的状态。

萨哈洛夫的第一个条件中提到的重子数，就是给每一个正物质的质子或者中子人为定义一个值为正1的量子数，再给每个反物质的质子或者中子定义一个值为负1的重子数，那在宇宙诞生之初，所有粒子的重子数相加，应该为0。但是，现在宇宙中，重子数是个正数。那么，宇宙演化的过程中肯定发生过重子数的变化，也就是重子数不再守恒，从0变成了正数。

而萨哈洛夫的第二个条件就是CP破坏。正物质和反物质以不同的速率衰变，才能使正物质和反物质中分别不守恒的重子数产生差异。由此可见，CP破坏是宇宙演化到如今的模样的必然条件。如果没有CP破坏，就不会有宇宙中的浩渺星辰，也不会有我们。

因此，实验上寻找CP破坏的证据，在几十年间，一直是粒子物理学研究的前沿。

然而，实验上寻找CP破坏的过程并不是一帆风顺的。在61年前发现在中性K0介子衰变中的CP破坏现象之后，科学家们在进入新世纪之后才于2001年通过美国的BaBar对撞机实验和日本的Belle对撞机实验上发现了另一种介子——中性B0介子衰变中CP破坏现象，2019年，通过欧洲核子研究中心的LHCb对撞机实验上，科学家们又在中性D0介子衰变中发现了CP破坏现象。这些CP破坏现象都是在介子中发现的，但是，在构成可见宇宙物质主体——重子（如质子、中子）衰变中的CP破坏现象却从未被找到。

直到今天公布的发现，打开了被宇宙尘封已久的重子CP破坏盲盒。

SAIXIANSHENG

打破CP对称的又一里程碑：重子中的CP破坏

在今天公布这这项研究成果中，研究团队利用在欧洲大型强子对撞机上LHCb实验探测器在2011-2018年记录的质子-质子对撞数据，研究了一种叫做Λb0重子的微观粒子衰变成一个质子、一个K介子和两个π介子的过程，以及它的反物质对称过程，测量了两个过程的衰变速率的不对称性。Λb0重子是一种比质子重的粒子，它的夸克组成与质子（由uud夸克构成）类似，但其中一个u夸克被替换为b夸克。通过机器学习算法，研究团队筛选了信号事例，抑制了其他粒子衰变过程的干扰。通过仔细的筛选，研究团队分别找到了大约4.184万个和3.885万个Λb0重子衰变以及它的反物质粒子衰变的信号事例。

图5: 利用LHCb实验探测器探测Λb0重子衰变过程的示意图

然而，信号产额的差异并不能直接反应Λb0重子和它的反物质粒子之间是否有CP破坏，这是因为，大型强子对撞机是一台质子-质子对撞机，是一台完全由正物质构成的对撞机，由正物质产生正反物质的几率是不相等的，由正物质探测器探测正反物质的效率也是不相等的。在消除掉以上不对称效应之后，剩下的不对称效应，才是CP破坏造成的。

最终，在消除掉所有的其他不对称的来源之后，最终的测量结果是：Λb0重子和它的反物质粒子之间的衰变速率的不对称性达到了(2.45±0.46±0.10)%，这一结果与零值的偏离达5.2标准差，也就是说，如果在重子衰变中没有CP破坏，观测到如此极端结果的概率约为仅有大约千万分之一，在粒子物理学中，这一统计结果已足以表明，在Λb0重子衰变中存在CP破坏。

图6: Λb0重子和它的反物质粒子的质量谱

重子是构成可见宇宙中物质的主体，因此，今天的研究结果，重子中的CP破坏的发现，是人类对于CP破坏认知的里程碑，将帮助我们进一步认知宇宙的演化的过程。

图7: 对CP破坏研究的重要发现节点

然而，重子CP破坏研究中还有很多谜团。为什么重子的CP破坏现象远比介子的CP破坏现象更难寻找？为什么目前实验测量到的全局CP破坏的强度仍比能够解释宇宙由正物质主导所需的数值低多个数量级？超出目前粒子物理学理论模型的额外CP破坏来源是否存在？自然界的“不完美”往往比完美更迷人，摆在科学家面前的谜题依然复杂又有吸引力。这些问题的答案等待着LHCb实验，以及未来的对撞机实验去发现。

值得一提的是，这项工作的核心研究团队主要由LHCb实验合作组的中国研究者构成。本项研究的核心研究团队包括：北京大学博士研究生杨雪婷、清华大学博士后戴鑫琛、北京大学张艳席助理教授、高原宁院士、杨振伟教授、华中师范大学谢跃红教授、中国科学院大学钱文斌副教授、中国科学院高能物理研究所陈缮真副研究员，以及法国克莱蒙奥弗涅大学的Stephane Monteil教授。

LHCb实验是一个被安置在地下100米的粒子对撞机实验，整个实验的探测器有21米长，10米高，重达5600吨（如图8所示）。如此巨大的探测器，就像一台超精细的照相机，只为观测那些肉眼看不到的微观粒子。而LHCb实验的主要科学目标，就像是它的Logo（如图9所示）所暗示的那样，是寻找与正物质“镜像对称”的反物质中，那微小的不对称性，也就是CP破坏。