物理學家捕獲反物質與物質的反常行為

# 感謝 HW 童鞋投遞譯稿：

圖片來源: 美國國家航空航天局, 歐洲空間局, J. Hester, A. Loll (亞利桑那州立大學)

物理學界最大的謎題之一就是宇宙中為何有物質存在。本周，在世界最大的原子對撞機——大型強子對撞機工作的一批物理學家或許離該謎題的答案又近一步：他們發現，同質子、中子等構成我們所熟悉的物質同族的粒子，其行為方式和與之相對的反物質粒子有著細小的差別。

物質與反物質有著相同的特性，但攜帶相反的電荷。舉例來說，一塊鐵，其質子帶正電，電子帶負電；一塊「反」鐵，其反質子帶負電，反電子帶正電(即反電子)。如果物質與反物質相接觸，它們雙方將會湮滅並轉化為光子(偶爾也會轉化為少量輕質粒子，如中微子)。除此之外， 物質與反物質的行為方式應相同，甚至外表也相同——這種現象被稱為電荷共軛對稱性(CP對稱)。

除一致的行為之外，電荷共軛對稱性也暗示，在約137億年前的大爆炸時形成的物質與反物質的數量應該是相等的。但顯然這並不可能，假如宇宙中二者數量相等，那麼它們最初就會湮滅，人類也就不會存在了。

但如果違反了該對稱——這意味著一部分反物質與其相對應的物質有不同的行為方式——也許這種差別可以解釋物質存在至今的原因。

為了尋找這種違反，物理學家們在位於橫跨瑞士與法國地下的17英里(27公里)長的環形設施——大型強子對撞機中觀察到了一種叫做λ-b重子的粒子。重子包含構成普通物質的整類粒子；質子和中子都是重子。重子由夸克構成，反物質重子由反夸克構成。夸克與反夸克有6種「味」：上、下、頂、底(或美)、奇、粲，科學家們用來表示其不同的類別。一枚λ-b粒子由一枚上夸克、一枚下夸克和一枚底夸克組成(一枚質子由兩枚上夸克和一枚下夸克組成，一枚中子則由兩枚下夸克和一枚上夸克組成。)

如果該λ粒子與其對應的反物質粒子顯示了電荷共軛對稱性，那麼它們將以相同方式衰變。相反的是，該團隊發現λ-b重子與反λ-b重子以不同形式衰變。λ粒子以兩種方式衰變：衰變為一枚質子和兩枚叫做π介子的帶正電的粒子，或衰變為一枚質子和兩枚K介子。當粒子衰變時，它們會以一定角度拋出子粒子。正反λ粒子均拋出子粒子，但拋出角度不同。

這並不是首次物質與反物質行為方式相異。20世紀60年代，科學家研究K介子本身時，其衰變方式也與其相對應的反物質粒子不同。B介子——包含一枚底夸克和一枚上、下、奇或粲夸克——也曾顯現出相似的「違背」行為。

然而，介子並不與重子完全相同。介子由成對的夸克和反夸克組成，重子只由一般的夸克組成，同樣的，反質子也只由反夸克組成。重子和反重子衰變之間的差異此前從未被觀測到。

波蘭科學院曾參與過大型強子對撞機的實驗，該學院核物理研究所的副教授馬爾欽·庫查克齊克對「在線科學」網站表示：「現在我們對重子有了新的發現」，「當你觀察介子時，那種差別並不明顯，觀察重子時也一樣。」

該結果雖然誘人但不夠穩固，不能算作發現。對物理學家而言，顯著性差異，即檢查數據是否可能偶然產生的方式，其量度是5σ。σ指標準差, 而5σ表示只有1/3,500,000 的幾率該結果是偶然出現的。該實驗達到了3.3σ，但還遠不夠。(也就是說，3.3σ意味著有1/4,200的幾率該觀測結果可能是偶然發生的，或者說99%的置信水平)

庫查克齊克表示。該發現並不能完整地解答為何是物質主宰著宇宙

他表示：「它不能完全解釋不對稱」，「在將來我們會獲得更多數據，或許是關於其他重子的數據」

該發現詳細情況刊於《自然-物理學》1月30日刊

[投稿 via Scientific American]

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！