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北京谱仪Ⅲ开创探索正反物质不对称性新方法

2022-06-02 10:48 来源:科技日报

  在宇宙大爆炸之初,正反物质是一起产生的。但是,宇宙中如今只有正物质,没有发现任何反物质。那么,宇宙诞生之初的反物质去哪里了?这个问题困扰了科学界半个多世纪。

  6月1日,《自然》杂志报道了一项关于科西超子的重要研究成果。依托北京正负电子对撞机的“眼睛”——北京谱仪Ⅲ,中外高能物理学家首次利用处于量子纠缠的正反科西超子对的级联衰变,成功将导致正反物质不对称的弱作用力从强作用力中分离出来。这一创新实验方法为研究物质和反物质之间的差异提供了极其灵敏的探针。

  “这项成果不仅更精确地验证了标准模型的预言是正确的,而且发展了一种新的测量方法,打破了30年来不能同时对超子及其反粒子进行测量的困境,为揭开宇宙原初反物质消失之谜带来了希望。”在接受采访时,中科院高能物理研究所研究员李海波指出。

  超子是一类重子,是早期在宇宙线实验中发现的不稳定粒子。与质子或中子不同,超子内部至少含有一个奇异夸克。

  作为超子的一种,科西超子由两个奇异夸克和一个下夸克组成,它的寿命很短,只有160皮秒。在科西超子生命的尽头,它会衰变成一个兰布达超子,同时释放一个带电的π介子;兰布达超子的寿命也不长,有260皮秒,它最后会衰变成一个质子和一个带电的π介子。

  科西超子的这种母粒子衰变成子粒子,子粒子再衰变的过程,被科学家称为科西超子的级联衰变。“这种级联衰变带有很丰富的自旋极化信息,可以通过其精确测量超子和反超子衰变的不对称性,即测量超子衰变中的CP破坏。”李海波说,测量超子衰变中的CP破坏是检验标准模型的重要手段。

  20世纪60年代以来,国外科学家已经在不同介子系统中发现CP破坏现象,这些发现都与粒子物理的标准模型的预言一致。然而,科学家从未在重子衰变中发现过CP破坏。李海波介绍,在实验上寻找重子衰变中的CP破坏,对于理解宇宙原初反物质消失之谜有着重要的科学意义。

  幸运的是,北京谱仪Ⅲ为测量超子衰变中CP破坏提供了绝佳的条件。

  “北京谱仪Ⅲ实验能够收集到大量的科西超子,这些正反科西超子都处于量子相干状态,我们利用这一独特的量子相干效应,以及科西超子的级联衰变和自旋极化信息,以前所未有的精度测量了正反科西超子的不对称参数,并首次测量了超子衰变中弱相互作用和强相互作用相因子,给出3种CP不对称性最精确的测量结果。”李海波说,北京谱仪Ⅲ实验这一创新方法为寻找CP破坏提供了一种全新的视角。

  对此,中国科学院院士、高能物理研究所所长王贻芳说:“这是理解正反物质不对称的一个里程碑,我期待北京谱仪Ⅲ合作组取得更多成就。”

  李海波表示,尽管这项研究成果显示没有CP破坏的迹象,然而,这一创新方法为科学家未来确认或排除超出标准模型的CP破坏带来了希望。记者 陆成宽

(责任编辑:支艳蓉)

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2022-06-02 10:48 来源:科技日报
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