記者從中國科學(xué)院高能物理研究所據(jù)悉，依托該所北京正負電子對撞機上北京譜儀(BES)III實驗，由全球約500名科研人員組成的BESIII合作組實現(xiàn)了一種創(chuàng)新實驗方法，為研究物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱提供了極其靈敏的探針。北京時間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)該是鏡像對稱的，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”
超子是一類在質(zhì)量超過核子的重子，在自然界并不存在，科學(xué)家在早期宇宙線的實驗中發(fā)現(xiàn)了這類僅能短暫存在不足1納秒的不穩(wěn)定粒子。此后，人們在地球上使用粒子對撞機，大量制造出了超子。
“反物質(zhì)消失之謎，是人類追尋宇宙物質(zhì)起源歷程中，迄今未能解決的難題?！?span id="mjhb23v" class="wpcom_tag_link">中科院院士、中科院高能所所長王貽芳解釋，在宇宙誕生之初，正反物質(zhì)是成對均衡產(chǎn)生的，如今我們見到的都是正物質(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)正反粒子不對稱行為，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，CP破缺是否也在超子中存在？科學(xué)家也想知道。然而，精確測量超子和反超子衰變的不對稱性，卻被一個難題所阻擋——物理學(xué)家一直沒有找到實驗辦法，能夠同時測量正反超子的衰變不對稱參數(shù)。
這個難題在BESIII實驗上，得到了解決。
超高靈敏度，突破正反超子測量困境
BESIII探測器是我國自主研發(fā)的大型高能實驗裝置，是研究物質(zhì)粒子強和弱相互作用和物質(zhì)起源的國之重器。它吸引了來自17個國家的80家科研機構(gòu)約500個科研人員共同參與研究，是目前國內(nèi)正在運行的最大國際合作組。自2008年運行取數(shù)以來，合作組已產(chǎn)出論文400多篇。
北京譜儀 III 探測器
BESIII實驗合作組發(fā)言人、中科院高能所研究員李海波介紹，BESIII實驗的超子產(chǎn)額雖然僅為美國費米實驗室HyperCP實驗的千分之一， 但實驗靈敏度要優(yōu)于HyperCP實驗——BESIII單事例的敏感度是HyperCP的一千倍，“這得益于BESIII實驗上正反科西超子的自旋極化和量子糾纏”。
更重要的是，BESIII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(lián)衰變，成功地把導(dǎo)致正反物質(zhì)不對稱的弱作用力從強作用力中分離出來，這一創(chuàng)新研究解決了30年來不能同時對超子和其反粒子測量的困境，從而在超子物理方向上樹起了一塊里程碑。
僅用13%數(shù)據(jù)，測量精度有望再升三倍
此次BESIII實驗所測量的科西超子，是一種雙奇異超子，由兩個奇異夸克和一個輕夸克組成。按照BESIII物理黃皮書的規(guī)劃，BESIII實驗圓滿收集了約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-反科西超子的過程——在13億J/ψ衰變事例中，完整干凈地重建出約7萬多個正-反科西超子對，本底污染率小于千分之一水平。
李海波介紹，從J/ψ衰變出來的正-反科西超子處于量子相干狀態(tài)，他們利用這一獨特的量子干涉效應(yīng)，以及科西超子的級聯(lián)衰變和自旋極化信息，實驗以前所未有的精度測量了正反科西超子的不對稱參數(shù)，并首次測量了超子衰變中弱相互作用和強相互作用相因子，給出三種CP不對稱性最精確的測量結(jié)果。
“這些結(jié)果已經(jīng)引起國際同行的關(guān)注，被2021年國際輕子光子大會邀請為大會專題報告，成為這一領(lǐng)域的新星。”王貽芳透露，BESIII合作組目前正在分析100億J/ψ數(shù)據(jù)，測量精度將再提高三倍左右，“這將是對重子CP不對稱最靈敏的測量，用于檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型和可能的CP破壞新來源?！庇捎诹Ｗ訕?biāo)準(zhǔn)模型預(yù)研的超子CP不對稱的精度在萬分之一量級，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。
作者：許琦敏
圖片：中科院高能所提供
