北京谱仪III开创探索正反物质不对称性的新方法

北京谱仪III(BESIII)合作组实现了一种创新实验方法，为研究物质和反物质不对称性提供了极灵敏的实验探针。相关成果6月2日发表在《自然》。

图片来自《自然》

BESIII探测器是我国自主研发的大型高能实验装置、位于北京正负电子对撞机上的探测器。它关注两个科学问题：“夸克如何组成物质粒子”和“宇宙物质-反物质不对称的起源”。BESIII国际合作组成立于2008年，是目前国内正在运行的最大国际合作组，由来自亚洲、欧洲和美洲等17个国家、80个研究机构中约500名科学家组成。

此前有一个问题困扰了科学界半个多世纪：尽管在宇宙大爆炸之初应该产生等量的正反物质，为什么宇宙却只有物质组成而非反物质？

物质和反物质遵循不同的规律吗？粒子衰变为研究正反物质不对称性提供了重要线索：如果粒子和反粒子的衰变模式存在差异，那么这些差异可能是导致今天丰富物质世界形成的原因。

然而，由于粒子衰变通常是由多种相互作用诱导发生的，比如一种类似质子的短寿命粒子叫做科西超子，它的内部含有两个重的奇异夸克和一个轻夸克，带一个负电荷，其衰变过程中既有弱也有强作用发生，如何识别是哪种作用导致正反物质衰变行为不同呢？

对此，科学家们将正粒子和反粒子衰变过程不一样的现象，称为“CP破坏”。

“CP破坏”的名字，与著名物理学家李政道、杨振宁、吴健雄密切相关。李政道、杨振宁二人提出的“宇称不守恒定律”认为，粒子的弱相互作用中存在“镜像”空间反射不对称性。1956年，吴健雄用实验证明了宇称不守恒定律。理论被“吴实验”证实后，杨振宁、李政道获得1957年的诺贝尔物理学奖。

物理学家杨振宁（中）、李政道（左）以及实验物理学家吴健雄（右）

在前述基础上，科学家们总结出了“CP破坏”。“CP破坏现象，可以用来解释为什么我们的世界中只有正物质，没有反物质。”中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳说道。

自上个世纪60年代以来，国外科学家已相继在介子系统中发现了CP破坏。可正反物质的不对称性并没有得到完美解释。王贻芳表示，“在构成世界的主要粒子中，介子数量很少，介子衰变时多出来的正物质并不足以形成现在的世界。”

与数量稀少的介子不同，重子是构成世界的主要粒子。“如果能在重子中找到CP破坏，我们就能够更好地理解宇宙原初反物质消失之谜。”

但科学家此前未在重子衰变中发现过CP破坏。王贻芳认为，原因在于“弱衰变信号有时会被强相互作用掩盖。所以要想看到重子的CP破坏，就需要有足够高的灵敏度和创新性的实验方法，把弱相互作用与强相互作用的信号区分开来。”

超子作为重子中的一种，类似于质子，但寿命很短。由两个奇异夸克和一个轻夸克组成的科西超子，当其奇异夸克发生弱衰变时，它便消失了。超子衰变被科学家视为“寻找CP破坏的一个很有希望的狩猎场”，因为它们的“自旋”方向可以通过其“子粒子”的衰变直接测量。

北京谱仪III探测器侧面照，图片来自中国科学院高能物理研究所

从2009年起，BESIII实验从正负电子对撞出的“碎片”中，收集到了约100亿J/psi粒子。J/psi粒子会衰变产生正-反科西超子，之后，正-反科西超子还会继续衰变、消失。

BESIII实验组的科研人员用了100亿粒子事例中的13亿，分析出了正-反科西超子的诞生过程，重建出约7万多个正-反科西超子对。BESIII成为一个干净、小巧的科西超子“工厂”：“干净”在于本底污染率小于千分之一水平；“小”是由于BESIII实验中，超子产额并不算多；“巧”是因为BESIII实验的敏感度足够高。

“我们的超子产额只有美国费米实验室一个叫HyperCP实验产额的千分之一，但单事例的敏感度是HyperCP单事例的一千倍。”BESIII实验发言人、中科院高能物理研究所研究员李海波说。

早先，BESIII合作组成员发现，刚衰变出来的正科西超子和反科西超子之间存在一种特殊的现象：“量子纠缠”。

于是，北京谱仪III(BESIII)实验首次利用处于量子纠缠的正反科西超子对的级联衰变，成功地把导致正反物质不对称的弱作用力从强作用力中分离出来，这一创新方法和实验结果引起该领域国际同行的关注。

在BESIII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上万倍。在碰撞中，电子和正电子湮灭，并从释放的能量中产生其他粒子或粒子对。

科研人员利用正反科西超子的“自旋”信息和量子关联来揭示正反物质不对称性，即“CP破坏”。考虑成对的正反超子级联衰变，可以把强力和弱力的贡献分开，导致对CP破坏测量的敏感度显著提高。BESIII实验的创新方法为寻找CP破坏提供了一种全新视角。

正反科西超子级联衰变演示图：如果物质和反物质遵循相同的物理法则，科西超子与反科西超子的衰变应该是镜像对称的，只是空间坐标是相反的；镜像之间纽带连接表示正反超子的量子关联，图片来自中国科学院高能物理研究所

“新的方法解决了30年来不能同时高效率地对超子和其反粒子测量的困境，也给出了更丰富的CP破坏测量结果。”李海波说。

尽管《自然》一文中给出的结果显示没有CP破坏的迹象，但前述创新方法为科学家未来确认，或者排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。

“这是理解正反物质不对称性的一个里程碑，我期待北京谱仪III合作组将取得更多成就。”王贻芳说道。

新方法的发现还得到了国际匿名评审的认可。有匿名评审点评：“即使尚未发现CP破坏的新迹象，但方法上的结果仍然很有趣。”还有评审认为，“新方法为将来的实验指明了方向，铺平了道路。”

目前，北京谱仪III实验组正在向更高的测量精度发起挑战。

“我们希望在不远的将来，能够用这种测量方法发现超子CP破坏的实验证据。”王贻芳表示，BESIII合作组正在分析100亿粒子衰变数据，测量精度有望再提高三倍左右。“从2009年开始至今，BESIII实验已经发表了400余篇研究成果。该探测器计划运行到2030年。”

在前述领域，这支由我国主要开展研究的实验团队也面临着激烈的国际竞争。

“欧洲核子中心的大型强子对撞机底夸克探测器(LHC-b)也正在大量制造超子。不过，他们的本底污染率比我们高。”李海波说道。