北京時間2025年3月26日凌晨，LHCb實驗合作組宣布了一項里程碑式的突破：重子衰變中CP對稱性破缺的發現[1]。這一成果為人類理解為何宇宙由物質主導提供了關鍵線索。值得注意的是，這項研究由中國科學家主導完成。

重子CP破缺

CP violation in baryon decay

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對稱破缺創造世界

如果說對稱體現了世界之美，那么對稱破缺則更多體現世界之真。

對稱性使得物理規律展現出驚人的簡單性，物理學家也因此對其倍加推崇。然而，世界并不因為人類的偏好而改變。正如居里先生所言，不對稱創造了世界，而前蘇聯物理學家薩哈洛夫用以解釋為何當今宇宙由物質主導的理論[2]讓這一觀點具象化。

根據大爆炸宇宙學理論，宇宙誕生時物質與反物質是等量產生的。然而，我們今天所見的宇宙卻幾乎完全由物質構成，反物質幾乎消失殆盡。這種現象表明，在宇宙的早期歷史中，物質與反物質之間發生了一場激烈的“戰爭”，最終導致了反物質的近乎完全消失，而物質則以極其微小的比例幸存下來。

前蘇聯物理學家薩哈洛夫總結出這場戰役的關鍵線索，即著名的“薩哈洛夫條件” [2]：

1. 重子數破缺；

2. C和CP對稱性破缺；

3. 熱力學非平衡條件。

其中，CP對稱性破缺揭示正物質與反物質演化規律的不同，是理解宇宙物質與反物質不對稱現象的關鍵。

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CP破缺求索之路

圖1. C、P以及CP變換（左）；CP破缺（右）

CP對稱性是自然界基本對稱性的一種，是電荷共軛（C）和宇稱（P）的聯合變換不變性。

1956年，李政道和楊振寧提出，弱相互作用中可能存在P對稱性的破缺[3]，這一理論很快得到了吳健雄的實驗驗證[4]。它揭示了正物質世界具有“左撇子”特性，而反物質世界則具有“右撇子”特性。因此，CP變換實際上是“左撇子”正物質和“右撇子”反物質之間的互換。

1964年，科學家們首次在含奇異夸克的K介子系統中發現了CP破缺的現象[5]。CP破缺現象在粒子物理標準模型中由“小林-益川機制”[6]解釋，它表明CP破缺存在于夸克物質（包括介子和重子）弱作用過程之中。然而，盡管CP破缺后來相繼在含底夸克的B介子[7]、含粲夸克的D介子[8]中被觀測到，但在重子系統中卻始終未有發現。

重子是由三個夸克組成的粒子，如質子和中子，是構成宇宙中可見物質的基礎。因此，實驗尋找重子CP破缺是理解早期宇宙中反物質消失之謎的關鍵。

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重子CP破缺發現

圖2. π π 過程的費曼圖以及實驗探測示意圖，源自[1]

LHCb是歐洲大型強子對撞機LHC上的四個主要探測器之一，專門用于研究含有重味夸克的粒子（如粲夸克和底夸克）以及CP破缺現象。

在本次研究中[1]，科學家們利用LHCb探測器觀察了約4萬事例的重子 的弱衰變過程 π π ，如圖2所示，以及相對應的CP共軛過程 π π 。如果CP對稱性嚴格成立，這兩個反應過程的發生概率應嚴格相等。然而，如圖3所示，實驗結果顯示，它們之間的相對差異為：

達到了5.2σ的置信水平，這意味著結果的可信度超過99.9999%。

圖3. π π 及其反過程信號對比，源自[1]

這是人類歷史上首次發現重子系統中的CP破缺現象。這一發現填補了粒子物理學中的一項重要空白，為理解宇宙中物質的主導地位提供了關鍵線索。

另外，值得一提的是，LHCb論文[1]中提到，實驗結果與理論預言一致，該理論預言由蘭州大學于福升教授和他的博士生汪建鵬計算得到[9]。

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基礎科學文明的中國印記

在這一重大發現的實現過程中，中國科學家發揮了至關重要的作用。LHCb中國組主導了本次發現，論文的投稿者是北京大學物理學院的博士生楊雪婷同學，她正師從高原寧院士團隊的張艷席研究員攻讀博士學位。

博士生楊雪婷同學在Moriond電弱物理會議，尹航拍攝

這并非LHCb中國組首次取得突破性成果。自加入LHCb實驗以來，中國科學家團隊屢獲佳績：2015年，他們發現了首個五夸克態[10]；2017年，又發現了首個雙粲重子[11]。而此次在重子CP破缺這一核心領域取得的重大突破，標志著中國科學家在粒子物理學研究的主戰場達到世界領先水平。

這一發現不僅將被載入教科書，更將在科學史上留下濃墨重彩的中國印記。它不僅為人類探索宇宙奧秘作出了重要貢獻，也展現了中國科學家的卓越能力。

作者介紹：

秦溱，華中科技大學物理學院副教授，博士生導師，基礎理論物理研究所副所長。研究領域為重味物理與CP破缺。

參考文獻:

[1] R. Aaij et al. [LHCb], Observation of charge-parity symmetry breaking in baryon decays, [arXiv:2503.16954 [hep-ex]].

[2] A. D. Sakharov, Violation of CP Invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe, Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 5, 32-35 (1967).

[3] T. D. Lee and C. N. Yang, Question of Parity Conservation in Weak Interactions, Phys. Rev. 104, 254-258 (1956).

[4] C. S. Wu, E. Ambler, R. W. Hayward, D. D. Hoppes and R. P. Hudson, Experimental Test of Parity Conservation in Decay, Phys. Rev. 105, 1413-1414 (1957).

[5] J. H. Christenson, J. W. Cronin, V. L. Fitch and R. Turlay, Evidence for the Decay of the Meson, Phys. Rev. Lett. 13, 138-140 (1964).

[6] M. Kobayashi and T. Maskawa, CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction, Prog. Theor. Phys. 49, 652-657 (1973).

[7] B. Aubert et al. [BaBar], Observation of CP violation in the meson system, Phys. Rev. Lett. 87, 091801 (2001); K. Abe et al. [Belle], Observation of large CP violation in the neutral B meson system, Phys. Rev. Lett. 87, 091802 (2001).

[8] R. Aaij et al. [LHCb], Observation of CP Violation in Charm Decays, Phys. Rev. Lett. 122, 211803 (2019).

[9] J. P. Wang and F. S. Yu, CP violation of baryon decays with Nπ rescatterings, Chin. Phys. C48, 101002 (2024).

[10] R.~Aaij et al. [LHCb], Observation of Resonances Consistent with Pentaquark States in Decays, Phys. Rev. Lett. 115, 072001 (2015).

[11] R.~Aaij et al. [LHCb], Observation of the doubly charmed baryon , Phys. Rev. Lett. 119, 112001 (2017).

主編：張 闖

責編：喬從豐

審核：李海波

編輯：花 明

本文轉載自《現代物理知識雜志》微信公眾號

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