反物质比物质少：是“上帝粒子”干的吗？

http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-12-31

在这张示意图中，两个质子在极高能级条件下发生对撞产生希格斯玻色子，后者立即发生衰变，成为两个τ子。剩余的能量被以两道喷流的方式释放出去(粉色圆锥)。对这两束喷流夹角的测量能够帮助判断希格斯粒子是否涉及了CP破坏。所谓CP破坏意味着自然对待粒子及其拥有相反电性的镜像粒子的方式是不同的。

　　新浪科技讯北京时间19日消息，据物理学家组织网站报道，已经有几项实验——包括在美国能源部下属斯坦福直线性加速器中心(SLAC)进行的BaBar实验，或将帮助我们部分解释——但非完全解释我们宇宙之中存在的物质与反物质之间的不平衡现象。而最近，一名SLAC的理论物理学家和他的同事们提出了一项可能的方法，可以用于检验在这一奇怪的物质-反物质失衡中是否有希格斯-玻色子的参与。

　　在一篇发表于《物理评论》杂志上的论文中，这个研究小组指出，欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)是发现希格斯粒子的地方。他们建议当2015年LHC设备重新开始运行时，应当对希格斯粒子的一种特定衰变现象进行搜寻。这种衰变现象的一些细节将可以告诉他们在宇宙中的物质-反物质失衡中，这种“上帝粒子”是否发挥了作用。

　　马特·多兰(Matt Dolan)是SLAC粒子理论组助理研究员，也是这篇论文的合著者之一。他表示：“开展这项搜寻工作的时机是成熟的。当LHC进入全速运行状态时，我们就准备好了。”

　　为何宇宙中的物质数量要比反物质的数量更多，这个问题是困扰粒子物理学家和宇宙学家的最大难题之一，它直接与我们自身的存在相关。在大爆炸之后，随着宇宙逐渐冷却到允许物质产生，大部分当时产生的物质-反物质对都在湮灭反应中消失了。然而物质的量却不知为何比反物质的量更多一些——我们今天所见的所有一切物质世界——恒星，行星，星系，以及我们自身——都是这小小的不平衡的产物。

　　最新被发现的希格斯玻色子与质量以及物质都直接相关。因此想要搞清楚这种神秘粒子与物质-反物质失衡之谜中是否起到了作用看起来也是非常符合逻辑的一步。

　　这篇论文的理论基础是所谓CP破坏——即“电荷宇称性破坏”，在SLAC开展的BaBar实验中也涉及同样的原理。CP破坏意味着自然对待粒子及其拥有相反电性的镜像粒子的方式是不同的。

　　多兰表示：“利用大型强子对撞机进行CP破坏的检索是非常困难的。我们才刚刚开始了解希格斯粒子的一些性质，因此我们的实验必须设计地非常非常精巧，如此我们才有希望弄清楚在不同情形下希格斯粒子的行为方式。”

　　首先，研究人员需要确认希格斯粒子适用于粒子物理学标准模型，这是目前我们对物质，能量以及将它们变为我们的过程的最佳理论解释。从CP破坏角度考虑，符合标准模型的希格斯粒子被称作“CP-偶性”，而那些不符合标准模型的希格斯粒子则被归入“CP-奇性”。而考察希格斯粒子是否涉及CP破坏的一项指标便是观察其是否为偶性粒子与奇性粒子的混合。

　　理论物理学家们提出一项实验，观察希格斯粒子衰变产生两个τ子，看上去就像是电子的超大号表亲，而在最初的质子-质子撞击反应中的剩余能量则会以两道“喷流”的形式发散出去。希格斯粒子的任何“CP-奇性”以及“CP-偶性”混合都能够从这种喷流的角度差异中进行区分和观察。

　　菲利普·哈里斯(Philip Harris)是CERN的一名物理学家，他与来自德国海登堡大学的马丁·雅克维科(Martin Jankowiak)以及英国杜汉大学的米歇尔·斯潘诺夫斯基(Michael Spannowsky)同是这篇最新论文的合著者之一，他表示：“这是一项备受关注的分析工作。”作为大型强子对撞机CMS实验设备的项目组成员，哈里斯主要专注于希格斯粒子的τ子衰变，有关这种衰变的证据是直到最近才开始为人们所认识。

　　他表示：“我希望能在我们的分析结果中加入CP破坏方面的论述，而马特，马丁以及米希尔所提出的方案是最有希望能将其实现的。”他同时表示自己非常期待明年全面重启并达到全功率运行之后，LHC将会获得的数据。他说：“即便只有几个月里获得的数据，我们就将能够开始对希格斯粒子以及CP破坏开展真正意义上的研究。”(晨风)

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