我校粒子物理團(tuán)隊(duì)與合作者在正反物質(zhì)不對(duì)稱性研究中取得重要進(jìn)展

華大在線訊（通訊員 張冬亮）3月12日，國(guó)際頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》以“編輯推薦”形式，同時(shí)刊發(fā)了粒子物理領(lǐng)域的兩項(xiàng)亮點(diǎn)成果——?dú)W洲核子研究中心LHCb國(guó)際合作組首次觀測(cè)到“底介子到粲偶素”衰變中電荷宇稱（CP）對(duì)稱性直接破壞證據(jù)；并在重子衰變中發(fā)現(xiàn)了CP破壞的顯著跡象。這兩項(xiàng)由華中師范大學(xué)聯(lián)合LHCb中國(guó)組多家單位完成的成果，不僅為破解“宇宙為何由正物質(zhì)主導(dǎo)”這一長(zhǎng)期懸而未決的物理學(xué)難題提供了新的線索，也彰顯了我國(guó)在大型高能物理國(guó)際合作項(xiàng)目中日益增強(qiáng)的影響力。

宇宙誕生之初，正反物質(zhì)本應(yīng)等量產(chǎn)生，但現(xiàn)今觀測(cè)到的宇宙世界卻被正物質(zhì)完全主宰。這個(gè)困擾科學(xué)界百年的謎題，其關(guān)鍵鑰匙或許就藏在微觀粒子的CP對(duì)稱性破壞現(xiàn)象中。自1964年克羅寧和菲奇（1980年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）在中性K介子衰變中首次發(fā)現(xiàn)CP破壞以來(lái)，對(duì)CP破壞本質(zhì)與機(jī)制的研究始終是粒子物理的前沿課題。而此次中國(guó)團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，無(wú)疑為解開(kāi)這個(gè)世紀(jì)謎題開(kāi)啟了新的窗口與可能。

華中師范大學(xué)與高能物理研究所聯(lián)合團(tuán)隊(duì)利用歐洲核子研究中心LHCb實(shí)驗(yàn)的海量數(shù)據(jù)，針對(duì)B+→J/yp+這一特殊的底介子衰變過(guò)程，展開(kāi)了精密的測(cè)量。研究過(guò)程猶如在量子世界的迷霧中精準(zhǔn)捕捉稍縱即逝的“蝴蝶振翅”，科學(xué)家通過(guò)分析數(shù)千萬(wàn)億次質(zhì)子對(duì)撞事例，在該衰變中觀察到正物質(zhì)和鏡像物質(zhì)（即反物質(zhì)）之間，存在著細(xì)微（約1%）的衰變率差異，從而取得了“底介子到粲偶素”過(guò)程中CP對(duì)稱性被直接破壞的關(guān)鍵證據(jù)。

主要完成人之一、我校尹航教授介紹道：“底介子到粲偶素衰變是研究CP破壞的黃金過(guò)程。歷史上的相關(guān)研究使得日本科學(xué)家小林誠(chéng)和益川敏英獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而LHCb發(fā)現(xiàn)的此類過(guò)程中直接CP破壞證據(jù)，無(wú)疑為進(jìn)一步檢驗(yàn)和完善粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型提供了重要的實(shí)驗(yàn)信息。”

B+→J/y p+衰變及其反物質(zhì)過(guò)程的費(fèi)曼圖，圖中左邊的樹(shù)圖和右邊的圈圖之間的干涉導(dǎo)致直接CP破壞

另一項(xiàng)研究聚焦于構(gòu)成物質(zhì)世界基石的重子——由三個(gè)夸克緊密結(jié)合而組成的微觀粒子。長(zhǎng)久以來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了重子衰變中存在CP破壞效應(yīng)，但這一效應(yīng)始終如幽靈般難以捉摸，未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。我校與北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，通過(guò)精細(xì)分析底重子衰變?yōu)槌影殡S一對(duì)奇異介子的過(guò)程，觀測(cè)到正反重子衰變率存在顯著的差異，發(fā)現(xiàn)了重子衰變中CP對(duì)稱性破壞的有力證據(jù)，為深入探索重子系統(tǒng)的CP破壞機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

我校團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人謝躍紅教授滿懷期待地表示：“我們多個(gè)中國(guó)單位緊密合作，共同打開(kāi)了重子世界CP破壞的魔盒一角。我們期盼在接下來(lái)的研究中能夠取得更多的突破性進(jìn)展，在解開(kāi)宇宙物質(zhì)起源謎團(tuán)的道路上更進(jìn)一步”。

兩項(xiàng)成果的背后，凝聚著我校粒子物理團(tuán)隊(duì)十余載的堅(jiān)守和耕耘。自2013年加入LHCb國(guó)際合作組以來(lái)，該團(tuán)隊(duì)取得了Bs0介子混合角世界最精確測(cè)量值等成果，還建立了從理論預(yù)測(cè)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的完整研究體系。此次成果更彰顯中國(guó)智慧——由多家LHCb中國(guó)單位共同開(kāi)展的CP破壞系列研究，已形成具有國(guó)際影響力的“中國(guó)方案”。

3月13日，LHCb中國(guó)組舉辦了專門線上報(bào)告會(huì)，來(lái)自華中師范大學(xué)、北京大學(xué)及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的三位青年才俊分別就上述研究成果進(jìn)行了詳細(xì)介紹，其中我校物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究生李曼殊作為相關(guān)論文通訊作者介紹了“底介子到粲偶素”衰變的研究工作。來(lái)自國(guó)內(nèi)主要高校和研究單位的100多名粒子物理研究人員參加會(huì)議。

目前，相關(guān)成果已獲美國(guó)物理學(xué)會(huì)和歐洲核子研究中心的專題報(bào)道，引發(fā)全球物理學(xué)界的廣泛關(guān)注和熱議。

（審讀人：王東）

附論文鏈接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.101801

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.101802

美國(guó)物理學(xué)會(huì)《物理》雜志推介：

https://physics.aps.org/articles/v18/56

歐洲核子研究中心新聞報(bào)道：

https://home.cern/news/news/physics/lhcb-sheds-light-two-pieces-matter-antimatter-puzzle