用大型對撞機撞出來的粒子物理學,或能解釋什麼是反物質

2020-12-03 天天科普

宇宙中最小的部分是由一套美麗的,令人興奮的規則來管理的:「標準模型」。標準模型解釋了所有17個發現的粒子的行為,並繼續做出預測,這些預測被世界上最大的物理實驗,包括瑞士的大型強子對撞機。但是這個模型是不完整的。

標準模型解釋了為什麼每種基本粒子都存在,以及它們如何相互作用。但是這並沒有解釋為什麼在我們的宇宙中存在比反物質更重要的東西 - 今天物理學家面臨的最大的謎團之一。旨在以迂迴的方式來回答這個問題的實驗,如大型強子對撞機美容(LHCb)實驗,已經檢測到似乎不服從標準模型的新粒子行為的誘人提示。但更新的結果讓這個故事蒙上了陰影。

「這非常令人費解,」荷蘭國家亞細亞物理研究所的派屈克·科彭伯格告訴Gizmodo。「有一些新的物理學現象,但是沒有跡象表明這會導致宇宙的物質 - 反物質對稱性。」

大型強子對撞機的實驗之一LHCb在希格斯玻色子的戲劇性追捕中被忽略了。但今年,它已經取得了一些有趣的新結果,其中包括一個完全沒有特色的物理規則。它特別適合於研究一種叫做「CP違規」的物理效應,但是新的研究表明,它的發現可能不能證明CP違規,而且我們也沒有更多地去理解宇宙反物質的走向。

下面是你需要了解新結果的粒子物理背景:有六個帶電荷的亞原子粒子稱為夸克。質子和中子是由較輕的夸克組成的,稱為「上」和「下」。主要存在於粒子物理實驗中的四個較重的夸克,以及宇宙中奇異的地方。

夸克通常可以按照兩個(稱為介子)和三個(重子)的組合排列。具有較重夸克的介子和重子傾向於衰變成具有較輕夸克的那些。包括這些夸克在內的每一個粒子都有一個反粒子 - 一個具有完全相同性質但相反電荷的粒子。粒子也有固有的平衡,有助於確定當他們互相交流時會發生什麼。

直到1964年,科學家們認為所有的粒子都應該具有CP或電荷平衡對稱性,即粒子應該服從與反粒子夥伴的鏡像相同的物理定律。 事情是,在所有情況下都不是這樣。1965年,一組物理學家發現,在布魯克海文國家實驗室的一個實驗中,稱為「k介子」或「kaon」的其他基本粒子的組合打破了對稱性。但是,這個「CP違反」現象的例子還不足以解釋為什麼宇宙比反物質更重要。

此後,科學家們開始在一種新的實驗中尋找違反CP的行為,而將重點放在稱為「B介子」的粒子的重組合上,這些粒子至少含有一個底夸克。這些粒子可以變成反粒子並返回,成為研究這種奇怪物質過剩的有用工具。也許這些粒子彼此振蕩,然後衰變成更常見的粒子的方式可以解釋丟失的反物質。

最近,LHCb報告了一個可能產生CP違規的另一個例子的過程。在上周發表在arXiv物理預印本伺服器上的那篇論文中,物理學家們測量了一種含有底夸克和奇怪夸克的B介子的複雜相互作用。這些粒子在衰變成其他粒子之前可以變成它們的反粒子。他們還觀察到這些粒子的其他組合改變了身份和腐爛。他們目睹的一切都是按照標準模型預測的 - 粒子和反粒子行為是對稱的。

Koppenburg解釋說,這不是微不足道的。在其他實驗中,它的特點下夸克,而不是奇異夸克B物理的過去的測量,發現CP破壞的輕微案件。而去年,LHCb發布了新的結果,暗示了B介子衰變中出現的奇怪現象。但是,如果沒有觀察CP違規行為,這些結果將不會回答LHCb提出的最深的問題。Koppenburg(標準模式)似乎困擾了現有的違反CP的案件,以及新的違規行為,儘管在那裡有一些奇怪的暗示。

這仍然是粒子物理學,還有大量的數據等待分析,可能會揭示更多的差異,取消其他差異,並發現大量的其他粒子行為,可以隱藏宇宙的秘密。但就目前來看,標準模型似乎是成立的,宇宙的一部分仍然不明,我們需要努力發現的還有更多!

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