寻找反物质

大多数人可能理所当然地认为宇宙主要由物质构成，而不是它的反物质。但粒子物理学家并非如此。几十年来，这个精英群体的成员一直在努力解决为什么物质主导我们宇宙的问题。他们认为，如果大爆炸和它创造的宇宙是对称的，那么应该存在等量的物质和反物质。但事实并非如此。

我们这些不是粒子物理学家的人应该感谢这种不平衡。如果真的存在等量的物质和反物质，它们会立即结合并在能量爆发中相互湮灭。事实上，一个粒子和它的反粒子在各方面都是相等但相反的，应该表现出类似的行为。物理学家称此属性为对称性。自然界的基本对称性包括电荷和宇称，或手性。因此，电子的行为应该与正电子（它的反粒子）相同，就像右手坐标系中的粒子在三维镜中观察时应该做同样的事情，从而将其置于左手坐标系中。但是，由于我们这个以物质为主的宇宙的存在，物理学家一直在寻找粒子及其反粒子打破对称性的情况。

现在，两个国际合作项目分别宣布了物质-反物质不对称问题中一个小的组成部分的明确答案。经过近两年的数据收集，位于斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 的 BaBar 合作项目和位于日本筑波 KEK 实验室的 BELLE 合作项目都测量了被称为 B 介子的粒子中的一种不对称性。BaBar 小组首先于 7 月 5 日在科罗拉多州的一次物理会议上公布了他们的结果。不到三周后，BELLE 小组在罗马的一次会议上公布了他们的发现。此后，两个小组都向《物理评论快报》杂志提交了论文，将于 8 月 27 日发表。早在 1999 年春天，这两个小组就开始收集数据，相隔不到一周。“在寻找 B 介子不对称性的竞赛中，他们一直是‘非常强大、平等且友好的竞争对手’”，BaBar 发言人，物理学家斯图尔特·史密斯说。

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直到 50 年前，物理定律都假设电荷对称性和宇称对称性都是独立守恒的。1957 年，当哥伦比亚大学的吴健雄女士发现宇称被违反的情况时，物理学界通过假设电荷和宇称 (CP) 必须共同守恒来进行调整。这是一个危险的调整。1964 年，瓦尔·菲奇和詹姆斯·克罗宁在称为中性 K 介子的粒子中发现了 CP 违背，物理学家再次匆忙解释这些发现。小林诚和益川敏英很快发展出一种理论，解释了 K 介子中的 CP 违背，并已被接受为标准模型的一部分，即物理学家用来描述我们宇宙的复杂方程组。

尽管如此，37 年来只在一个粒子中看到这种现象让物理学家感到不安。“只在一个特定粒子中出现这种效应有点不舒服，”芝加哥大学研究 K 介子中 CP 违背的物理学教授埃德·布鲁彻说。“有一种挥之不去的疑问，‘这是否只是这个系统的特殊之处？’因此，从根本上说，看到这种效应发生在另一个粒子系统中是非常有趣的。”将 K 介子中的 CP 违背纳入其中的理论（称为小林-益川矩阵）预测，CP 违背也应该发生在 B 介子系统中。问题是，没有人能够找到它。确定 B 介子（比它们的 K 介子重 10 倍）中是否发生 CP 违背，正是科学家发起 BaBar 和 BELLE 合作项目的原因。

与先前尝试测量 B 系统中的 CP 违背不同，这两个加速器被称为不对称 B 工厂。在其中，能量不同的电子束和正电子束相互碰撞以制造 B 介子对。在 SLAC，电子束保持在 90 亿电子伏特，而正电子束以仅仅 30 亿电子伏特的速度在 2 公里的轨道上飞驰。由此产生的 B 介子对（就像拆除德比撞车事故的后果一样）粘在一起并以有限的中间速度移动。在 B 介子对的情况下，该速度几乎是光速的一半。“如果某物的移动速度是光速的一半，即使它只持续几万亿分之一秒，平均也会移动四分之一毫米，”普林斯顿大学物理学家史密斯说。“通过这样做，我们可以测量 B 和反 B 粒子衰变的时间。”

衰变率的差异是物质和反物质之间不对称性的量度。如果两个粒子在相同的时间内以相同的方式衰变到相同的最终状态，则不存在不对称性，并且 CP 是守恒的。但是凭借他们的新结果，BaBar 和 BELLE 小组明确证明了 B 和它们的反 B 对应物（称为 B 反，这是合作项目名称的灵感来源）的衰变方式不同。尽管他们的数字略有不同（BELLE 的数字更大），但它们彼此之间以及与主流思想都相对一致。“我们和 SLAC 都基本上证明了 CP 对称性在 B 系统中确实被打破了，”自 BELLE 成立以来一直与其合作的东京大学物理学教授相原博昭说。“实际的数字，为什么我们与他们不同，我们还不知道，这种差异来自何处还有待观察。一旦我们获得更多数据，我们都可以找到答案。未来情况可能会发生变化。”

通过观察 B 和 B 反衰变的一个特定最终状态，称为 J/psi K-short，合作项目探测了两者之间的差异。研究人员选择这种特定的衰变模式有两个原因：首先，随后的计算很简单，而其他测量用布鲁彻的话来说，“解释起来简直是一场噩梦”。其次，它相对容易测量。但是，即使这种衰变模式最容易找到，它也大约每 10 万次衰变才发生一次。两个小组都制造了超过 3100 万对 B 介子，以便找到足够多的事件，从而在统计上确保他们所看到的是真正的 CP 违背。

在 B 系统中测量到的不对称量不足以（通过多个数量级）解释宇宙中的宇宙学问题。但是，两个小组确定的数量与 20 世纪 70 年代发明的模型一致，该模型解释了在 Kaon 系统中发现的 CP 违背，并预测了 B 系统的 CP 违背。“[不对称的]水平与标准模型一致，”史密斯说。“但不足以说标准模型之外什么都没有。”

事实上，即使两个合作项目证明了 CP 违背发生在 B 系统中，它们也远未完成。物理学家说，未来 10 到 15 年的总计划是尝试使已经完成的测量更加精确，并测量各种其他参数，以便进一步测试当前的模型。BaBar 的史密斯同意目前的结果只是一个起点，而不是终点。“我认为这真的只是一个开始，因为我们在科学观点中的许多重大变化都是从小的差异开始的，”他说。“很明显，我们希望一开始就发现一些巨大的差异，但大自然比这更微妙。”