如何研究物质和反物质？北京谱仪开创探索正反物质不对称性新方法

原标题:如何研究物质和反物质？北京谱仪开创探索正负物质不对称性的新方法

北京谱仪III探测器。中国科学院高能所供图

本报北京6月2日电(记者孙自法)虽然大爆炸之初本应产生等量的正负物质，但为什么我们的宇宙只由物质组成而不是反物质？物质和反物质遵循不同的规律吗？两者有什么区别？

这些困扰科学界半个多世纪的问题，随着BESIII在北京正负电子对撞机上取得的粒子物理学最新突破，有望迎来解决的契机。

作为北京正负电子对撞机上粒子物理的核心装置和唯一的实验装置，科学仪器北京谱仪ⅲ像“眼睛”一样看着电子和正电子的碰撞过程。它在最近的一次测量中实现了一种创新的实验方法，为研究物质和反物质的不对称性提供了一种极其灵敏的实验探针。

来自中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)的最新消息称，这一由北京谱仪ⅲ实验国际合作组中外科学家共同完成的重要基础研究论文，于北京时间6月1日晚在线发表在国际知名学术期刊《自然》上。

正负柯西超子级联衰变演示图。镜面之间的键连接代表了正负超子的量子关联。中国科学院高能所供图

北京谱仪ⅲ实验国际合作组发言人、中科院高能所研究员李海波表示，粒子衰变为研究正负物质的不对称性提供了一条重要线索:如果粒子和反粒子的衰变模式存在差异，这些差异可能是形成今天丰富物质世界的原因。然而，粒子衰变通常是由许多相互作用引起的。例如，一种被称为柯西超子的类质子短寿命粒子，包含两个重奇异夸克和一个轻夸克。在其衰变过程中，既有弱作用，也有强作用。如何才能识别哪种作用导致正负物质的衰变行为不同？

近日，北京谱仪ⅲ实验首次利用量子纠缠的正负柯西超子对的级联衰变，成功地将导致正负物质不对称的弱力与强力分离。这一创新方法和实验结果引起了粒子物理领域同行的密切关注。

在北京谱仪ⅲ的实验中，电子与其反粒子正电子碰撞的能量是其固有质量的数万倍。在这些碰撞中，电子和正电子湮灭，释放的能量产生其他粒子或粒子对。在这项新研究中，研究人员利用正负柯西超子的“自旋”信息和量子关联来揭示正负物质的不对称性，这被粒子物理学家称为“CP破坏”。亚十年是CP破坏的一个很有前途的狩猎场，因为它们的“自旋”方向可以通过它们的“子粒子”的衰变直接测量出来。考虑到成对正负超子的级联衰变，可以将强作用力和弱作用力的贡献分开，从而使CP损伤测量的灵敏度显著提高。北京谱仪III实验是一种创新的方法，为寻找CP损伤提供了新的视角。

中科院院士、中科院高能所所长王研究员指出，虽然《自然》杂志最新发表的论文中给出的结果没有显示CP破坏的迹象。然而，这种创新的方法为科学家在未来确认或排除标准模型之外的CP损伤源带来了希望。他说，北京谱仪ⅲ实验的最新测量结果之前已经引起了国际同行的关注，并被2021国际轻子光子大会邀请做专题报告。“这是理解正负物质不对称性的里程碑，期待北京谱仪III实验国际合作组取得更多成果。”

李海波还强调，北京谱仪III实验的灵敏度远高于之前美国费米实验室的HyperCP实验，是HyperCP实验单例的1000倍，这是由于北京谱仪III实验中正负柯西超子的自旋极化和量子纠缠。针对北京谱仪三号实验中这种测量的高精度，他形象地说，这就好比一般的测量方法在地球上只能看到月球上的环形山，而用北京谱仪三号最新的测量方法，就可以看到“嫦娥三号”探测器着陆月球。

北京谱仪ⅲ探测器是我国自主研制的大型高能实验装置。这个实验性的国际合作小组成立于2008年。由来自亚洲、欧洲、美洲等17个国家80个研究机构的约500名科学家组成。它是目前中国最大的科学仪器国际合作组织。中外科学家通过北京谱仪III实验合作取得的粒子物理重大突破，也成为国际科研合作的典范。(完)返回搜狐查看更多。

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