如何研究物質和反物質？北京譜儀開創探索正反物質不對稱性新方法
家家安北京6月2日電 (記者 孫自法)盡管在宇宙大爆炸之初應該產生等量的正反物質，為什么我們的宇宙卻只有物質組成而非反物質？物質和反物質遵循不同的規律嗎？兩者有何不同？
困擾了科學界半個多世紀的這些難題，隨著北京正負電子對撞機上北京譜儀III(BESIII)最新完成一對講門鈴項粒子物理領域的重大突破，有望迎來解決的契機。
作為北京正負電子對撞機上的核心裝置和唯一粒子物理實驗裝置，大科學裝置北京譜儀III像“眼睛”一樣注視正負電子對撞過程，它在最近的一次測量中實現一種創新實驗方法，為研究物質和反物質不對稱性提供了極其靈敏的實驗探針。
來自中國科學院高能物理研究所(中科院高能所)的最新消息說，由北京譜儀III實驗國際合作組中外科學家們共同完成的這項重要基礎研究成果論文，北京時間6月1日晚在國際著名學術期刊《自然》上線發表。
正反科西超子級聯衰變演示圖。鏡像之間紐帶連接表示正反超子的量子關聯。 中科院高能所 供圖
北京譜儀III實驗國際合作組發言人、中科院高能所李海波研究員介紹說，粒子衰變為研究正反物質不對稱提供了重要線索：如果粒子和反粒子的衰變模式存在差異，那么這些差異可能是導致今天豐富語音呼叫對講的物質世界形成的原因。然而，由于粒子衰變通常是由多種相互作用誘導發生的，比如一種類似質子的短壽命粒子叫做科西超子，它的內部含有兩個重的奇異夸克和一個輕夸克，其衰變過程中既有弱也有強作用發生，如何識別是哪種作用導致正反物質衰變行為不同呢？
北京譜儀III實驗最近首次利用處于量子糾纏的正反科西超子對的級聯衰變，成功地把導致正反物質不對稱的弱作用力從強作用力中分離出來，這一創新方法和實驗結果引起粒子物理領域世界同行的密切關注。
在北京譜儀III實驗中，電子與其反粒子正電子碰撞的能量是其固有質量的上萬倍。在這些碰撞中，電子和正電子湮滅，并從釋放的能量中產生其他粒子或粒子對。在這項新的研究中，科研人員利用正反科西超子的“自旋”信息和量子關聯來揭示正反物質不對稱性，粒子物理學家稱之為“CP破壞”。超子衰變是尋找CP破壞的一個很有希望的“狩獵場”，因為它們的“自旋”方向可以通過其“子粒子”的衰變直接測量。考慮成對的正反超子級聯衰變，可以把強力和弱力的貢獻分開，導致對CP破壞測量的敏感度顯著提高。北京譜儀III實驗這一創新方法為尋找CP破壞提供了一種全新的視角。
中科院院士、中科院高能所所長王貽芳研究員指出，盡管《自然》最新發表論文中給出的結果顯示沒有CP破壞的跡象。然而，這一創新方法為科學家未來確認或排除超出標準模型的CP破壞來源帶來了希望。他說，北京譜儀III實驗最新測量結果此前已引起國際同行關注，并被2021年國際輕子光子大會邀請為大會專題報告，“這是理解正反物質不對稱的一個里程碑，我期待北京譜儀III實驗國際合作組取得更多成就。”
李海波還強調，北京譜儀III實驗的靈敏度遠高于之前美國費米實驗室的HyperCP實驗，是HyperCP實驗單事例靈敏度的1000倍，這得益于北京譜儀III實驗上正反科西超子的自旋極化和量子糾纏。針對北京譜儀III實驗此次測量的高精度，他形象比喻說，這好比一般測量方法在地球上只能看到月球上的環形山，而用北京譜儀III最新的測量方法，就可以看到著陸月球上的“嫦娥三號”探測器一樣。
北京譜儀III探測器是中國自主研發的大型高能實驗裝置，該實驗國際合作組成立于2008年，由來自亞洲、歐洲和美洲等17個國家80個研究機構約500名科學家組成，是目前中國國內大科學裝置上正在運行的最大國際合作組，中外科學家這次通過北京譜儀III實驗合作完成的粒子物理重大突破成果，也成為科研領域國際合作的典范。(完)
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