欧洲核子研究中心的新研究揭示了物质反物质的奥秘

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我们为什么存在？这可以说是最深刻的问题，或者说看起来完全超出了粒子物理的范畴。但是我们在欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的新实验使我们更接近理解它。
为了理解为什么，让我们回到大约138亿年前的大爆炸。这个事件产生了等量的物质和反物质。人们认为，每一个粒子都有一个反物质伴侣，它与自身几乎相同，但电荷相反。当一个粒子遇到它的反粒子时，它们会相互湮灭——在一束光中消失。
为什么我们今天看到的宇宙完全是由物质组成的，这是现代物理学最大的谜团之一。如果有相同数量的反物质，宇宙中的一切都会被毁灭。我们的研究揭示了物质和反物质不对称的一个新来源。
反物质最早由阿瑟舒斯特在1896年提出假设，由保罗狄拉克在1928年提供，并由卡尔安德森在1932年以反电子的形式发现，这种形式被称为正电子。正电子出现在自然的放射性过程中，例如钾-40的衰变。这意味着你的普通香蕉(含钾)每75分钟就会发出正电子。然后它们通过电子湮灭物质产生光。PET扫描仪等医疗应用在同样的过程中产生反物质。
构成原子的物质的基本组成部分是称为夸克和轻子的基本粒子。夸克有六种：上夸克、下夸克、奇异夸克、迷人夸克、底夸克和顶夸克。同样，有六个轻子：电子、子、和三个中微子。这十二种粒子也有反物质副本，它们的电荷不同。
原则上，反物质粒子应该是它们正常同伴的完美镜像。但实验表明，情况并非总是如此。例如，一种叫做介子的粒子由一个夸克和一个反夸克组成。中子有一个迷人的特征：它们可以自发地变成它们的反粒子，反之亦然。在这个过程中，夸克变成反夸克或反夸克变成夸克。但是实验表明，这可能发生在一个方向，而不是相反的方向——随着时间的推移，产生的物质比反物质多。
第三次是魅惑。
在含有夸克的粒子中，只有包括奇异夸克和底夸克在内的粒子被发现具有这种不对称性——这些都是非常重要的发现。1964年观察到涉及奇怪粒子的不对称性，导致理论家预测了六个夸克的存在——此时只有三个被称为存在。2001年，人们发现底部粒子的不对称性最终证实了导致六夸克图像的机制。这两项发现都获得了诺贝尔奖。
奇怪的底部夸克带负电。理论上，唯一带正电的夸克应该能够形成能显示物质-反物质不对称的粒子，这是有吸引力的。理论表明，如果是这种情况，影响应该很小，难以察觉。
然而，LHCb实验首次成功地观察到了一种叫做D介子的粒子中的这种不对称性——它是由吸引的夸克组成的。这是由我在十年前发起的LHC碰撞中直接产生的前所未有的吸引粒子实现的。结果表明，这种统计波动的概率约为50亿。
如果这种不对称不是来自导致奇怪的和底部夸克不对称的相同机制，它就为反物质不对称留下了空间，反物质不对称是一种新的物质来源，这可能会增加早期宇宙中的这种不对称。这很重要，因为一些已知的不对称性不能解释为什么宇宙包含这么多物质。仅靠魅力发现不足以填补这一空白，但理解基本粒子的相互作用是一个重要问题。
下一步
这个发现之后，会有更多的理论著作，有助于解释结果。但更重要的是，它将概述进一步的测试，以加深我们发现后的理解——许多这样的测试已经在进行中。
在未来十年，升级后的LHCb实验将提高这些测量的灵敏度。这将得到刚刚开始运行的日本BelleII实验的补充。这些都是研究物质-反物质不对称的令人兴奋的前景。
反物质也是很多其他实验的核心。欧洲核子研究中心的反质子减速器正在生产整个反原子，为许多实验提供高精度测量。在AMS-2实验中，我们登上了国际空间站，寻找宇宙起源的反物质。目前和未来的一些实验将解决中微子之间反物质不对称的问题。
【欧洲核子研究中心的新研究揭示了物质反物质的奥秘】虽然我们仍然不能完全解开宇宙物质的奥秘——反物质不对称，但我们的最新发现开启了一个精确测量时代的大门，这可能会揭示未知的现象。我有理由乐观地认为，有一天物理学会解释我们为什么会在这里。