記者從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所據(jù)悉，依托該所北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上北京譜儀(BES)III實(shí)驗(yàn)，由全球約500名科研人員組成的BESIII合作組實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，為研究物質(zhì)和反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)提供了極其靈敏的探針。北京時(shí)間2022年6月2日，《自然》雜志正式刊發(fā)了相關(guān)研究結(jié)果。

正反科西超子級(jí)聯(lián)衰變演示圖：如果物質(zhì)和反物質(zhì)遵循相同的物理法則，科西 超子與反科西超子的衰變應(yīng)該是鏡像對(duì)稱(chēng)的，只是空間坐標(biāo)是相反的。鏡像之間紐帶 連接表示正反超子的量子關(guān)聯(lián)。

有助理解“反物質(zhì)消失之謎”

超子是一類(lèi)在質(zhì)量超過(guò)核子的重子，在自然界并不存在，科學(xué)家在早期宇宙線的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了這類(lèi)僅能短暫存在不足1納秒的不穩(wěn)定粒子。此后，人們?cè)诘厍蛏鲜褂昧Ｗ訉?duì)撞機(jī)，大量制造出了超子。

“反物質(zhì)消失之謎，是人類(lèi)追尋宇宙物質(zhì)起源歷程中，迄今未能解決的難題。”中科院院士、中科院高能所所長(zhǎng)王貽芳解釋?zhuān)谟钪嬲Q生之初，正反物質(zhì)是成對(duì)均衡產(chǎn)生的，如今我們見(jiàn)到的都是正物質(zhì)，那么原初反物質(zhì)去哪里了呢？1956年，楊振寧、李政道發(fā)現(xiàn)了粒子弱作用宇稱(chēng)不守恒（即P破缺），此后粒子物理學(xué)家相繼在K介子、B介子和D介子系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)正反粒子不對(duì)稱(chēng)行為，即CP破壞現(xiàn)象，這些發(fā)現(xiàn)都與粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言一致。

人們不禁要問(wèn)，CP破缺是否也在超子中存在？科學(xué)家也想知道。然而，精確測(cè)量超子和反超子衰變的不對(duì)稱(chēng)性，卻被一個(gè)難題所阻擋——物理學(xué)家一直沒(méi)有找到實(shí)驗(yàn)辦法，能夠同時(shí)測(cè)量正反超子的衰變不對(duì)稱(chēng)參數(shù)。

這個(gè)難題在BESIII實(shí)驗(yàn)上，得到了解決。

超高靈敏度，突破正反超子測(cè)量困境

BESIII探測(cè)器是我國(guó)自主研發(fā)的大型高能實(shí)驗(yàn)裝置，是研究物質(zhì)粒子強(qiáng)和弱相互作用和物質(zhì)起源的國(guó)之重器。它吸引了來(lái)自17個(gè)國(guó)家的80家科研機(jī)構(gòu)約500個(gè)科研人員共同參與研究，是目前國(guó)內(nèi)正在運(yùn)行的最大國(guó)際合作組。自2008年運(yùn)行取數(shù)以來(lái)，合作組已產(chǎn)出論文400多篇。

北京譜儀 III 探測(cè)器

BESIII實(shí)驗(yàn)合作組發(fā)言人、中科院高能所研究員李海波介紹，BESIII實(shí)驗(yàn)的超子產(chǎn)額雖然僅為美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室HyperCP實(shí)驗(yàn)的千分之一， 但實(shí)驗(yàn)靈敏度要優(yōu)于HyperCP實(shí)驗(yàn)——BESIII單事例的敏感度是HyperCP的一千倍，“這得益于BESIII實(shí)驗(yàn)上正反科西超子的自旋極化和量子糾纏”。

更重要的是，BESIII實(shí)驗(yàn)最近首次利用處于量子糾纏的正反科西超子對(duì)的級(jí)聯(lián)衰變，成功地把導(dǎo)致正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)的弱作用力從強(qiáng)作用力中分離出來(lái)，這一創(chuàng)新研究解決了30年來(lái)不能同時(shí)對(duì)超子和其反粒子測(cè)量的困境，從而在超子物理方向上樹(shù)起了一塊里程碑。

僅用13%數(shù)據(jù)，測(cè)量精度有望再升三倍

此次BESIII實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的科西超子，是一種雙奇異超子，由兩個(gè)奇異夸克和一個(gè)輕夸克組成。按照BESIII物理黃皮書(shū)的規(guī)劃，BESIII實(shí)驗(yàn)圓滿收集了約100億J/ψ粒子?？蒲腥藛T用了其中13%的數(shù)據(jù)量，研究了J/ψ粒子衰變到正-反科西超子的過(guò)程——在13億J/ψ衰變事例中，完整干凈地重建出約7萬(wàn)多個(gè)正-反科西超子對(duì)，本底污染率小于千分之一水平。

李海波介紹，從J/ψ衰變出來(lái)的正-反科西超子處于量子相干狀態(tài)，他們利用這一獨(dú)特的量子干涉效應(yīng)，以及科西超子的級(jí)聯(lián)衰變和自旋極化信息，實(shí)驗(yàn)以前所未有的精度測(cè)量了正反科西超子的不對(duì)稱(chēng)參數(shù)，并首次測(cè)量了超子衰變中弱相互作用和強(qiáng)相互作用相因子，給出三種CP不對(duì)稱(chēng)性最精確的測(cè)量結(jié)果。

“這些結(jié)果已經(jīng)引起國(guó)際同行的關(guān)注，被2021年國(guó)際輕子光子大會(huì)邀請(qǐng)為大會(huì)專(zhuān)題報(bào)告，成為這一領(lǐng)域的新星?！蓖踬O芳透露，BESIII合作組目前正在分析100億J/ψ數(shù)據(jù)，測(cè)量精度將再提高三倍左右，“這將是對(duì)重子CP不對(duì)稱(chēng)最靈敏的測(cè)量，用于檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型和可能的CP破壞新來(lái)源。”由于粒子標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)研的超子CP不對(duì)稱(chēng)的精度在萬(wàn)分之一量級(jí)，物理學(xué)家還將不斷努力逼近，直至最終破解這一宇宙物質(zhì)演化的重要謎團(tuán)。

作者：許琦敏

圖片：中科院高能所提供