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欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的底夸克探测器全景图

3月24日，杨雪婷作为主要完成人受 邀登上第 59 届国际电弱相互作用和统一理论会议（Moriond）讲台 　　

如果说人类的存在是一场宇宙奇迹，那么物理学就是解读这场奇迹的语言。

我们赖以生存的世界——包括你我、山川河海、恒星行星——都是由“物质”构成的。组成原子核的质子、中子，以及核外电子，是最基本也是最常见的物质粒子。

在粒子物理的微观世界中，每一种基本粒子都对应着一种“反物质对手”，我们称之为反粒子。它们拥有相同的质量，但在电荷等性质上正好相反。例如，电子的反粒子是带正电荷的正电子，质子的反粒子是带负电荷的反质子。理论上，这些反粒子可以像正常物质一样组成“反原子”，甚至构成完整的“反世界”。

按照大爆炸理论，宇宙诞生之初应同时产生了等量的物质与反物质。它们在所有属性上像照镜子一样彼此对称，却会在相遇时湮灭，化为纯粹的能量。那么问题来了：如果物质与反物质起初完全对称，它们在相遇后又会彼此湮灭，为何今天的宇宙几乎只剩下物质？曾与我们对称存在的反物质，又去了哪里？

这个令人深思的难题，是现代物理学最基本也最深刻的问题之一，称为宇宙正反物质不对称。尽管目前仍未有最终答案，但是欧洲核子研究中心（ERN）的大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）取得的最新研究进展却帮助我们向谜底迈进了一步。

对称性破缺：自然的隐秘法则

想要理解这个谜题，需要从一个看似抽象但至关重要的概念说起——对称性破缺。

对称之美深藏于自然万物之中：蝴蝶的双翼、雪花的六角，乃至古代宫殿的中轴设计，无不展现出和谐统一的秩序。物理世界同样遵循对称的法则。试想一个镜子中的宇宙：在那个世界里，万有引力依旧成立，地球只是反向运转，却仍稳定地绕着太阳运行。这样的对称不仅赋予自然以美感，更构成了自然规律的基石。

在过去，科学家们相信这份对称不仅存在于宏观世界之中，在微观的粒子层面也应同样适用。但随着实验深入，人们惊讶地发现：在某些关键时刻，自然选择打破这种对称的和谐，转而以一种不对称的方式运行——这就是所谓的对称性破缺。

“对称性破缺”听起来或许抽象，但其实我们每个人在日常生活中都体验过它。比如，人类的双手看似对称，但大多数人是右撇子，剪刀、相机快门甚至门把手，许多工具都是专为右手设计的。这种现实生活中的“偏右”现象，就是左右对称性破缺的体现。

在自然界众多的对称性中，有一种破缺尤其关键，那就是所谓的 CP 对称性的破坏。根据苏联科学家萨哈罗夫的理论，CP 破坏是物质在宇宙中“战胜”反物质的必要条件。换言之，正是这种深藏于微观粒子行为中的对称性破缺，让宇宙偏向了“物质”一边，才有了今天我们所处的这个充满星辰和生命的世界。

CP破坏：粒子世界中的非对称

CP 是“电荷共轭（Charge Conjuga?tion）”与“宇称（Parity）”两种对称变换的组合。电荷共轭是将粒子替换为它的反粒子，宇称则对应空间的镜像翻转。若一个物理过程满足 CP 对称性，那么它的“反粒子+空间反转”版本也应当以完全相同的方式发生。CP 破坏意味着正反粒子行为之间存在差异。

科学界第一次发现CP对称性被打破，是在1964年。当时，美国布鲁克海文国家实验室的物理学家在研究一种叫作K介子的粒子时，意外观察到了它违反 CP 对称性的衰变行为。这一结果震动了当时的物理学界，并在1980年获得诺贝尔奖。几十年来，研究者们陆续在不同种类的粒子中找到了CP破坏的蛛丝马迹。

不过，迄今为止所有已知的 CP 破坏现象都来自介子体系。这类粒子由一对夸克和反夸克组成。虽然粒子与反粒子之间可能发生湮灭，但介子中的夸克与反夸克通常不是完全相同种类（不是“彼此”的反粒子），而且被强相互作用牢牢束缚在一起，形成一种短寿命但可研究的粒子状态。介子结构简单，是实验室中研究对称性破坏的理想对象。

而我们日常世界的基本构件——质子和中子——则属于另一类粒子，叫作重子。它们由三个夸克紧密结合而成，结构更复杂，往往也更稳定。我们的身体、地球，乃至恒星，几乎都由重子组成。

这让人们不禁要问：既然重子才是现实世界的主角，它们是否也能表现出CP破坏？

重子之谜：CP破坏的新纪元

为了解开重子 CP 破坏之谜，科学家们将目光投向了位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）。

（注：强子是一类由夸克组成的复合粒子，主要通过强相互作用结合在一起。介子和重子都属于强子家族。） 作为人类迄今建造的最强大的粒子加速器，LHC能让两束质子以接近光速迎头相撞，瞬间释放出巨大的能量，产生包括各种寿命极短的不稳定粒子在内的“粒子烟花”。LHC上专门设计的 LHCb 实验，正是捕捉这些稍纵即逝的粒子、并精确研究其性质（尤其是CP破坏）的前沿探测器。

LHCb实验组汇聚了全球顶尖的粒子物理学家，来自北京大学的团队便是其中一支重要的科研力量。近十年前，包括北大在内的LHCb中国团队就将寻找重子体系中的CP破坏确立为核心物理目标之一，并为此进行了长期不懈的攻关。

在 LHCb 实验的最新研究中，我们将目光聚焦于“底重子”的衰变上。底重子由三个夸克（一个上夸克、一个下夸克和一个底夸克）组成，结构上与构成我们世界的质子、中子相似，但质量更大、寿命极短（仅约万亿分之一秒）。在其短暂的生命中，它会通过丰富多样的路径衰变成更轻的粒子。正是这些衰变过程，为寻找物质与反物质行为间的细微差异——CP 破坏——提供了可能。

在北京大学张艳席老师的指导下，我自博士入学起就聚焦于此研究。我们筛选出特定的底重子衰变路径，系统性地统计比较底重子与其反粒子（反底重子）通过该路径衰变的频率差异。复杂的数据分析、大量的交叉验证，以及严谨的“揭盲”过程（即避免分析人员主观偏差的关键步骤）确保了结果的科学严谨性。

研究的核心挑战在于：如何精确比较底重子与其反粒子在相同衰变路径上的衰变频率差异？这就像在一场上亿次的超级抛硬币实验中，试图判断硬币是否极其轻微地偏向正面（或反面）。硬币（用来比喻探测器信号）会掉进缝隙（探测效率损失）、会沾上油污（背景噪声）、还有些正反面印刷不清（探测器无法准确分辨粒子类型）。最大的挑战正是去除实验设备本身的“偏见”。我们必须对复杂的探测系统进行极其精密的校准和效率修正，以排除这些非物理的系统偏差，避免它们掩盖或扭曲真实的物理效应——底重子衰变中可能存在的CP破坏信号。

最终的实验结果显示：底重子与其反粒子在研究的衰变模式中，衰变率存在约2.5%的显著差异（该结果的统计误差小于0.5%，置信度极高）。这项研究成果最终被《自然》杂志接收。

这标志着人类历史上首次在重子体系中直接观测到CP破坏——是粒子物理领域的重要里程碑。其核心意义在于：我们终于在最构成我们自身和可见宇宙的基础粒子——重子——上，确凿无疑地捕捉到了物质与反物质行为的不对称性。这不仅拓展了我们对自然界基本对称性破缺现象的理解边界，更是为最终解答“宇宙为何由物质主宰”这一根本性难题，迈出了坚实而关键的一步。

一粒底重子在万亿分之一秒中悄然衰变，它留下的不对称痕迹，被人类捕捉、解码，最终指向一个宏大的问题：我们为何存在？正是这种基本粒子层面的微弱不对称性，在宇宙诞生之初的剧烈湮灭中，为物质留下了一线生机，经过百亿年的演化，最终形成了星系、恒星、行星，以及能够思考“我们为何存在”的生命。

答案或许仍遥远。但就在这一刻，我们离它更近了一步。

（作者为北京大学物理学院2022级博士研究生）