清華新聞網(wǎng)3月28日電 當?shù)貢r間3月24日晚,，歐洲核子研究中心（CERN）在第59屆國際電弱相互作用和統(tǒng)一理論會議上宣布,，大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）合作組首次在重子衰變中觀測到電荷共軛-宇稱聯(lián)合變換對稱性破壞（簡稱“CP破壞”）現(xiàn)象。這一結果有助于我們進一步認知宇宙演化過程,，被視為人類探索基本對稱性破壞歷程中一座新的里程碑,。LHCb中國研究團隊對這一重大突破作出了關鍵性的貢獻，清華LHCb團隊成員深度參與并發(fā)揮重要作用,。
根據(jù)大爆炸理論,，宇宙誕生之初,，物質(zhì)和反物質(zhì)應該是等量存在的。然而,，目前已知的宇宙幾乎完全由物質(zhì)構成,，反物質(zhì)幾乎消失無蹤。這一現(xiàn)象令人困惑,，因為物理定律中存在一種被稱為CP對稱性的規(guī)則,，認為粒子與其反粒子應遵循相同的自然法則。要解釋為何物質(zhì)最終主導宇宙,，CP對稱性破壞是必不可少的條件,。
因此，自1964年粒子物理學家首次在K介子衰變中發(fā)現(xiàn)CP破壞現(xiàn)象以來,，關于CP破壞的研究一直是粒子物理學的熱點前沿,。在隨后的60年里，粒子物理學家先后在底介子和粲介子衰變中發(fā)現(xiàn)了CP破壞,，但尚未在構成可觀測宇宙主要成分的重子的衰變中觀測到這一現(xiàn)象,。尋找重子衰變中的CP破壞是很多粒子物理實驗的重要研究任務。
LHCb中國研究團隊與合作者利用LHCb實驗數(shù)據(jù),，在多個重子衰變過程中尋找CP破壞現(xiàn)象,。在對底重子Λ_b0到pK?π?π?四體衰變過程的研究中，發(fā)現(xiàn)Λ_b0重子與其對應的反粒子（Λ_b0-bar）的衰變率存在顯著差異（如下圖所示）,，標志著首次在重子衰變中觀測到CP破壞,。這一發(fā)現(xiàn)填補了CP破壞研究中關鍵的一塊拼圖，為研究粒子物理標準模型的卡比博-小林-益川機制,，理解宇宙中正反物質(zhì)不對稱性起源提供了重要信息,。
圖1.Λ_b0→pK?π?π?衰變（左）與其反過程Λ_b0-bar→p-barK+π?π?衰變（右）的不變質(zhì)量分布。各成分產(chǎn)額與曲線高度呈正比,。（未扣除產(chǎn)生截面和探測不對稱性,，共約1.3%）
LHCb國際合作組由來自24個國家的100家研究機構、約1800名科研人員組成,。清華大學于2000年加入LHCb國際合作組,，是合作組發(fā)起成員單位之一，多年來與國內(nèi)外合作者一起,，在CP破壞,、強子譜學和重味強子產(chǎn)生機制等方向取得一系列重要物理成果。清華大學LHCb實驗組張黎明副教授課題組聯(lián)合指導的博士后戴鑫琛在本次重子衰變的CP破壞研究中選擇了這一衰變過程進行研究,，他在數(shù)據(jù)分析和文章撰寫工作中也作出重要貢獻,。
LHCb國際合作組發(fā)言人、意大利國家核物理研究院（INFN）資深研究員文森佐·瓦尼奧尼（Vincenzo Vagnoni）評價道：“重子CP破壞的發(fā)現(xiàn)是粒子物理研究史中的一個重要里程碑，來自中國的LHCb實驗團隊在這項工作中發(fā)揮了關鍵作用,，這是他們長期不懈努力的成果,。”他表示：“我們觀測到CP破壞現(xiàn)象的系統(tǒng)越多,，測量精度越高，就越有機會檢驗標準模型并探索超越該模型的新物理,。首次在重子衰變中觀測到CP破壞現(xiàn)象,，為深入研究CP破壞本質(zhì)的理論與實驗工作開辟了道路，可能為超越標準模型的物理研究提供新的約束條件,?！?/span>
圖2.粒子物理研究史中與CP破壞有關的里程碑
中國LHCb團隊在本次重子衰變CP破壞的發(fā)現(xiàn)中作出關鍵性的貢獻。清華大學LHCb實驗組成員戴鑫琛開展了先期信號篩選以及本底研究,、研究了該衰變的振幅模型,、參與撰寫了成果論文，深度參與了實驗工作并為該重大成果的取得作出了重要貢獻,。戴鑫琛表示：“在和LHCb中國組的同事們深入討論后,，我們一致認為降低測量誤差是發(fā)現(xiàn)CP破壞的關鍵突破口，因此最終選擇了這個統(tǒng)計量最大的衰變過程開展研究,?！?/p>
LHCb是目前世界上能量最高的粒子加速器LHC上的大型實驗裝置之一，致力于精確測量重味強子（即含粲夸克或底夸克的強子）的性質(zhì),，以期探索宇宙中正反物質(zhì)不對稱之謎,、尋找超出標準模型的新物理，理解強相互作用等,。
清華大學于2000年加入LHCb國際合作組,，是合作組發(fā)起成員單位之一。在LHCb探測器研制期間,，清華大學工物系團隊參與了外部徑跡探測器和觸發(fā)電子學的研制,。而在剛完成的LHCb升級計劃中，工物系曾鳴教授和龔光華副研究員團隊在國家自然科學基金重大國際合作項目支持下,，為閃爍光纖徑跡探測器的研制作出了重要貢獻,。同時，LHCb清華團隊在物理研究方面取得了一系列有國際影響力的研究成果,，其中最引人注目是主導發(fā)現(xiàn)了五夸克態(tài)和雙粲重子,。目前，清華大學正與國內(nèi)外合作單位共同推進LHCb實驗下一代探測器升級中新型電磁量能器的研發(fā),。
LHCb實驗論文預印本：
https://arxiv.org/abs/2503.16954
LHCb新聞報道：
https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2025/03/25/observation-of-the-different-behaviour-of-baryonic-matter-and-antimatter/
CERN新聞報道：
https://home.cern/news/press-release/physics/new-piece-matter-antimatter-puzzle
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：郭玲
