如何研究物质和反物质？北京谱仪开创探索正反物质不对称性新方法

原标题:如何研究物质和反物质？北京谱仪开创探索正负物质不对称性的新方法

北京谱仪III探测器。***科学院高能所供图

本报北京6月2日电(记者孙自法)虽然大爆炸之初本应产生等量的正负物质，但为什么我们的宇宙只由物质组成而不是反物质？物质和反物质遵循不同的规律吗？两者有什么区别？

这些困扰科学界半个多世纪的问题，随着BESIII在北京正负电子对撞机上取得的粒子物理学刚刚突破，有望迎来解决的契机。

作为北京正负电子对撞机上粒子物理的核心装置和比较好的实验装置，科学仪器北京谱仪ⅲ像“眼睛”一样看着电子和正电子的碰撞过程。它在最近的一次测量中实现了一种创新的实验方法，为研究物质和反物质的不对称性提供了一种极其灵敏的实验探针。

来自***科学院高能物理研究所(中科院高能所)的刚刚消息称，这一由北京谱仪ⅲ实验国际合作组中外科学家共同完成的重要基础研究论文，于北京时间预测（数据为往年仅供参考）6月1日晚在线发表在国际知名学术期刊《自然》上。

正负柯西超子级联衰变演示图。镜面之间的键连接代表了正负超子的量子关联。***科学院高能所供图

北京谱仪ⅲ实验国际合作组发言人、中科院高能所研究员李海波表示，粒子衰变为研究正负物质的不对称性提供了一条重要线索:如果粒子和反粒子的衰变模式存在差异，这些差异可能是形成今天丰富物质世界的原因。然而，粒子衰变通常是由许多相互作用引起的。例如，一种被称为柯西超子的类质子短寿命粒子，包含两个重奇异夸克和一个轻夸克。在其衰变过程中，既有弱作用，也有强作用。如何才能识别哪种作用导致正负物质的衰变行为不同？

近日，北京谱仪ⅲ实验***利用量子纠缠的正负柯西超子对的级联衰变，成功地将导致正负物质不对称的弱力与强力分离。这一创新方法和实验结果引起了粒子物理领域同行的密切关注。

在北京谱仪ⅲ的实验中，电子与其反粒子正电子碰撞的能量是其固有质量的数万倍。在这些碰撞中，电子和正电子湮灭，释放的能量产生其他粒子或粒子对。在这项新研究中，研究人员利用正负柯西超子的“自旋”信息和量子关联来揭示正负物质的不对称性，这被粒子物理学家称为“CP破坏”。亚十年是CP破坏的一个很有前途的狩猎场，因为它们的“自旋”方向可以通过它们的“子粒子”的衰变直接测量出来。考虑到成对正负超子的级联衰变，可以将强作用力和弱作用力的贡献分开，从而使CP损伤测量的灵敏度显著提高。北京谱仪III实验是一种创新的方法，为寻找CP损伤提供了新的视角。

中科院院士、中科院高能所所长王研究员指出，虽然《自然》杂志刚刚发表的论文中给出的结果没有显示CP破坏的迹象。然而，这种创新的方法为科学家在未来确认或排除标准模型之外的CP损伤源带来了希望。他说，北京谱仪ⅲ实验的刚刚测量结果之前已经引起了国际同行的关注，并被2021国际轻子光子大会邀请做专题报告。“这是理解正负物质不对称性的里程碑，期待北京谱仪III实验国际合作组取得更多成果。”

李海波还强调，北京谱仪III实验的灵敏度远高于之前美国费米实验室的HyperCP实验，是HyperCP实验单例的1000倍，这是由于北京谱仪III实验中正负柯西超子的自旋极化和量子纠缠。针对北京谱仪三号实验中这种测量的高精度，他形象地说，这就好比一般的测量方法在地球上只能看到月球上的环形山，而用北京谱仪三号刚刚的测量方法，就可以看到“嫦娥三号”探测器着陆月球。

北京谱仪ⅲ探测器是我国自主研制的大型高能实验装置。这个实验性的国际合作小组成立于2008年。由来自亚洲、欧洲、美洲等17个国家80个研究机构的约500名科学家组成。它是目前******的科学仪器国际合作组织。中外科学家通过北京谱仪III实验合作取得的粒子物理重大突破，也成为国际科研合作的典范。(完)返回搜狐查看更多。

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