新发现:粒子物理学迎来新的里程碑!

作者:来源:时间:2020-04-12

   1. 最深刻的谜题 

  为什么我们会存在?这个问题是现代物理学中最深奥的谜题之一。但现在,我们离找到答案又更近了一步。为了理解究竟发生了什么,让我们回到宇宙诞生之初。138亿年前,在大爆炸之后,宇宙中产生了等量的物质和反物质。 

  从最小的尘埃到巨大的恒星,宇宙中的每一个结构都是由物质构成的。但是,反物质也同样能完成这项工作。除了拥有相反的电荷之外,它们的性质几乎与物质一样。物质和反物质无法在同一个物理空间中共存,因为如果它们相遇,就会相互湮灭,以光子的形式释放出能量。 

  但是,为什么我们所看到的宇宙完全是由物质构成的?如果曾经有等量的反物质产生,宇宙中的一切都应该湮灭,也就意味着不会有星系、恒星、行星、你、我的存在。为了解释为什么物质在那场终极湮灭大战中获得胜利,物理学家一直在寻找物质和反物质在行为上的微小差异。 

  321日,欧洲核子研究中心(CERN)的LHCb合作者在意大利的Rencontres de Moriond会议上公布了他们的最新发现:他们找到了解释物质-反物质不对称性的新来源。或者更精确地说,他们观测到了粲粒子(包含粲夸克的粒子)衰变中的电荷-宇称破坏(即CP破坏)。这个新的结果注定将被写进物理学的教科书。 

  2. 物质与反物质 

  1898年,舒斯特(Arthur Schuster)发表在《自然》的两篇文章中首次提出了反物质的概念。1928年,狄拉克(Paul Dirac)为反物质写下了坚实的理论基础。1932年,安德森(Carl Anderson)第一次在实验中发现正电子(电子的反物质)。虽然反物质听起来似乎非常罕见,但事实上我们日常食用的香蕉(富含钾)中平均每75分钟就会释放出一个正电子。然后它们会与物质电子湮灭释放出光。 

  我们看到的所有物质都是由被称为夸克和轻子的基本粒子组成的。夸克有六种:上、下、奇、粲、底、顶。同样地,轻子也有六种:电子、μ子、τ子和三种中微子。这12种粒子都有其相应的反物质粒子,它们的唯一区别就是拥有相反的电荷。 

  理论上,反物质粒子应该是它们的物质伙伴的完美镜像。但实验表明,情况并非总是如此。以一种被称为介子的粒子为例,它是由一个夸克和一个反夸克组成的。中性介子具有一个迷人的特性:它们可以自发的转变成它们的反介子,反之亦然。在这个过程中,夸克会转变成反夸克,反夸克也会转变为夸克。但实验表明,随着时间的推移,这种情况会更多地朝一个方向发展——产生的物质要多于反物质。