新發現！粒子物理學迎來新的里程碑！
1. 最深刻的謎題
為什麼我們會存在？這個問題是現代物理學中最深奧的謎題之一。但現在，我們離找到答案又更近了一步。
為了理解究竟發生了什麼，讓我們回到宇宙誕生之初。138億年前，在大爆炸之後，宇宙中產生了等量的物質和反物質。從最小的塵埃到巨大的恆星，宇宙中的每一個結構都是由物質構成的。但是，反物質也同樣能完成這項工作。除了擁有相反的電荷之外，它們的性質幾乎與物質一樣。物質和反物質無法在同一個物理空間中共存，因為如果它們相遇，就會相互湮滅，以光子的形式釋放出能量。
○ 物質與反物質相遇會湮滅。| 圖片來源：RealLifeLore/YouTube
但是，為什麼我們所看到的宇宙完全是由物質構成的？如果曾經有等量的反物質產生，宇宙中的一切都應該湮滅，也就意味著不會有星系、恆星、行星、你、我的存在。為了解釋為什麼物質在那場終極湮滅大戰中獲得勝利，物理學家一直在尋找物質和反物質在行為上的微小差異。
3月21日，歐洲核子研究中心（CERN）的LHCb合作者在義大利的Rencontres de Moriond會議上公布了他們的最新發現：他們找到了解釋物質-反物質不對稱性的新來源。或者更精確地說，他們觀測到了粲粒子（包含粲夸克的粒子）衰變中的電荷-宇稱破壞（即CP破壞）。這個新的結果註定將被寫進物理學的教科書。
2. 物質與反物質
1898年，舒斯特（Arthur Schuster）發表在《自然》的兩篇文章中首次提出了反物質的概念。1928年，狄拉克（Paul Dirac）為反物質寫下了堅實的理論基礎。1932年，安德森（Carl Anderson）第一次在實驗中發現正電子（電子的反物質）。
雖然反物質聽起來似乎非常罕見，但事實上我們日常食用的香蕉（富含鉀）中平均每75分鐘就會釋放出一個正電子。然後它們會與物質電子湮滅釋放出光。
我們看到的所有物質都是由被稱為夸克和輕子的基本粒子組成的。夸克有六種：上、下、奇、粲、底、頂。同樣地，輕子也有六種：電子、μ子、τ子和三種中微子。這12種粒子都有其相應的反物質粒子，它們的唯一區別就是擁有相反的電荷。
○ 標準模型中的基本粒子。
理論上，反物質粒子應該是它們的物質夥伴的完美鏡像。但實驗表明，情況並非總是如此。以一種被稱為介子的粒子為例，它是由一個夸克和一個反夸克組成的。中性介子具有一個迷人的特性：它們可以自發的轉變成它們的反介子，反之亦然。在這個過程中，夸克會轉變成反夸克，反夸克也會轉變為夸克。但實驗表明，隨著時間的推移，這種情況會更多地朝一個方向發展——產生的物質要多於反物質。
3. 自然並不總是對稱的
在含有夸克的粒子中，只有那些包含奇夸克和底夸克的粒子被發現具有這種不對稱性（即CP破壞）。這些都是非常重要的發現。
1964年，克羅寧（James Cronin）和菲奇（Val Fitch）第一次在中性K介子（包含了一個奇夸克）上觀測到這種效應，這使得理論學家能夠預測出六種夸克的存在——而那時已知存在的夸克只有三種。這在當時是非常令人震驚的發現，因為物理學界是如此肯定CP對稱性是不會被破壞的。
1970年代出，在卡比博（Nicola Cabibbo）和其他人的工作之上，小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）意識到CP破壞可以自然地被囊括在粒子物理學的標準模型的理論框架中。他們的想法最終在2001年得到了證實，當時BaBar和Belle合作組在中性B介子（包含了一個底夸克）衰變中也觀測到了CP破壞。
這兩項發現分別獲得了1980年和2008年的諾貝爾物理學獎。
○ 這些發現從根本上改變了我們對自然的理解。
4. 里程碑的新發現
奇夸克和底夸克都帶有負電荷（電荷均為-1/3）。理論上，粲夸克（電荷為+2/3）是唯一一個能形成具有物質-反物質不對稱性的粒子的帶正電荷的夸克。如果的確如此，那麼這個效應也應該非常小，而且很難被探測到。
現在，LHCb實驗第一次成功地在一種被稱為D?介子（由一個粲夸克和一個反上夸克組成）的粒子中觀測到了這種不對稱性。為了觀測這種不對稱性，LHCb的研究人員使用了大型強子對撞機（LHC）在2011年至2018年間提供給LHCb實驗的完整數據集（這些數據積累了足夠的粒子衰變事件）。他們的目標是尋找D?介子及其反粒子（反D?）衰變成K介子和π介子的衰變率差別。這項研究結果的精確度達到了5.3標準偏差的統計顯著性，要知道，在粒子物理學中，結果具有5個標準偏差就可以宣稱是一個新發現了。這意味著我們很快就會在新的物理教科書上看到這一發現。
○ CP對稱變換會將一個粒子與其反粒子的鏡像互換。LHCb觀測到，在D?介子（圖右邊的大球體）和它的反物質對應物反D?介子（圖左邊的大球體）衰變為其他粒子時，這種對稱性會遭到破壞。破壞的程度是根據每種情況下衰變數量的不同而推斷出來的。| 圖片來源：CERN
如果這種不對稱性與導致奇夸克和底夸克不對稱性的機制不同，那麼就為物質-反物質不對稱性留出了空間，這可以增加早期宇宙中不對稱性的總量。這很重要，因為少數已知的不對稱案例無法解釋為什麼宇宙包含這麼多物質。當然，單憑粲的發現還不足以填補這個空白，但這是理解基本粒子相互作用的一塊重要拼圖。
之後，理論物理學家需要更努力地去解釋此次的發現，他們需要弄清楚標準模型是否可以解釋這一結果。
雖然我們仍然不能完全解開物質-反物質不對稱性之謎，但最新的發現或許打開了一扇通往未知現象的大門。相信終有一天，我們會揭開為什麼我們得以存在的謎底。
參考來源：
https://home.cern/news/press-release/physics/lhcb-sees-new-flavour-matter-antimatter-asymmetry
http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#CPVcharm
https://theconversation.com/cern-study-sheds-light-on-one-of-physics-biggest-mysteries-why-theres-more-matter-than-antimatter-113947
https://indico.cern.ch/event/807176/attachments/1813407/2967809/CharmCPV_seminar.pdf
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