尋找反物質

大多數人可能理所當然地認為宇宙主要由物質構成，而不是它的反物質。但粒子物理學家並非如此。幾十年來，這個精英群體的成員一直在努力解決為什麼物質主導我們宇宙的問題。他們認為，如果大爆炸和它創造的宇宙是對稱的，那麼應該存在等量的物質和反物質。但事實並非如此。

我們這些不是粒子物理學家的人應該感謝這種不平衡。如果真的存在等量的物質和反物質，它們會立即結合並在能量爆發中相互湮滅。事實上，一個粒子和它的反粒子在各方面都是相等但相反的，應該表現出類似的行為。物理學家稱此屬性為對稱性。自然界的基本對稱性包括電荷和宇稱，或手性。因此，電子的行為應該與正電子（它的反粒子）相同，就像右手座標系中的粒子在三維鏡中觀察時應該做同樣的事情，從而將其置於左手座標系中。但是，由於我們這個以物質為主的宇宙的存在，物理學家一直在尋找粒子及其反粒子打破對稱性的情況。

現在，兩個國際合作專案分別宣佈了物質-反物質不對稱問題中一個小的組成部分的明確答案。經過近兩年的資料收集，位於斯坦福直線加速器中心 (SLAC) 的 BaBar 合作專案和位於日本筑波 KEK 實驗室的 BELLE 合作專案都測量了被稱為 B 介子的粒子中的一種不對稱性。BaBar 小組首先於 7 月 5 日在科羅拉多州的一次物理會議上公佈了他們的結果。不到三週後，BELLE 小組在羅馬的一次會議上公佈了他們的發現。此後，兩個小組都向《物理評論快報》雜誌提交了論文，將於 8 月 27 日發表。早在 1999 年春天，這兩個小組就開始收集資料，相隔不到一週。“在尋找 B 介子不對稱性的競賽中，他們一直是‘非常強大、平等且友好的競爭對手’”，BaBar 發言人，物理學家斯圖爾特·史密斯說。

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直到 50 年前，物理定律都假設電荷對稱性和宇稱對稱性都是獨立守恆的。1957 年，當哥倫比亞大學的吳健雄女士發現宇稱被違反的情況時，物理學界透過假設電荷和宇稱 (CP) 必須共同守恆來進行調整。這是一個危險的調整。1964 年，瓦爾·菲奇和詹姆斯·克羅寧在稱為中性 K 介子的粒子中發現了 CP 違背，物理學家再次匆忙解釋這些發現。小林誠和益川敏英很快發展出一種理論，解釋了 K 介子中的 CP 違背，並已被接受為標準模型的一部分，即物理學家用來描述我們宇宙的複雜方程組。

儘管如此，37 年來只在一個粒子中看到這種現象讓物理學家感到不安。“只在一個特定粒子中出現這種效應有點不舒服，”芝加哥大學研究 K 介子中 CP 違背的物理學教授埃德·布魯徹說。“有一種揮之不去的疑問，‘這是否只是這個系統的特殊之處？’因此，從根本上說，看到這種效應發生在另一個粒子系統中是非常有趣的。”將 K 介子中的 CP 違背納入其中的理論（稱為小林-益川矩陣）預測，CP 違背也應該發生在 B 介子系統中。問題是，沒有人能夠找到它。確定 B 介子（比它們的 K 介子重 10 倍）中是否發生 CP 違背，正是科學家發起 BaBar 和 BELLE 合作專案的原因。

與先前嘗試測量 B 系統中的 CP 違背不同，這兩個加速器被稱為不對稱 B 工廠。在其中，能量不同的電子束和正電子束相互碰撞以製造 B 介子對。在 SLAC，電子束保持在 90 億電子伏特，而正電子束以僅僅 30 億電子伏特的速度在 2 公里的軌道上飛馳。由此產生的 B 介子對（就像拆除德比撞車事故的後果一樣）粘在一起並以有限的中間速度移動。在 B 介子對的情況下，該速度幾乎是光速的一半。“如果某物的移動速度是光速的一半，即使它只持續幾萬億分之一秒，平均也會移動四分之一毫米，”普林斯頓大學物理學家史密斯說。“透過這樣做，我們可以測量 B 和反 B 粒子衰變的時間。”

衰變率的差異是物質和反物質之間不對稱性的量度。如果兩個粒子在相同的時間內以相同的方式衰變到相同的最終狀態，則不存在不對稱性，並且 CP 是守恆的。但是憑藉他們的新結果，BaBar 和 BELLE 小組明確證明了 B 和它們的反 B 對應物（稱為 B 反，這是合作專案名稱的靈感來源）的衰變方式不同。儘管他們的數字略有不同（BELLE 的數字更大），但它們彼此之間以及與主流思想都相對一致。“我們和 SLAC 都基本上證明了 CP 對稱性在 B 系統中確實被打破了，”自 BELLE 成立以來一直與其合作的東京大學物理學教授相原博昭說。“實際的數字，為什麼我們與他們不同，我們還不知道，這種差異來自何處還有待觀察。一旦我們獲得更多資料，我們都可以找到答案。未來情況可能會發生變化。”

透過觀察 B 和 B 反衰變的一個特定最終狀態，稱為 J/psi K-short，合作專案探測了兩者之間的差異。研究人員選擇這種特定的衰變模式有兩個原因：首先，隨後的計算很簡單，而其他測量用布魯徹的話來說，“解釋起來簡直是一場噩夢”。其次，它相對容易測量。但是，即使這種衰變模式最容易找到，它也大約每 10 萬次衰變才發生一次。兩個小組都製造了超過 3100 萬對 B 介子，以便找到足夠多的事件，從而在統計上確保他們所看到的是真正的 CP 違背。

在 B 系統中測量到的不對稱量不足以（透過多個數量級）解釋宇宙中的宇宙學問題。但是，兩個小組確定的數量與 20 世紀 70 年代發明的模型一致，該模型解釋了在 Kaon 系統中發現的 CP 違背，並預測了 B 系統的 CP 違背。“[不對稱的]水平與標準模型一致，”史密斯說。“但不足以說標準模型之外什麼都沒有。”

事實上，即使兩個合作專案證明了 CP 違背發生在 B 系統中，它們也遠未完成。物理學家說，未來 10 到 15 年的總計劃是嘗試使已經完成的測量更加精確，並測量各種其他引數，以便進一步測試當前的模型。BaBar 的史密斯同意目前的結果只是一個起點，而不是終點。“我認為這真的只是一個開始，因為我們在科學觀點中的許多重大變化都是從小的差異開始的，”他說。“很明顯，我們希望一開始就發現一些巨大的差異，但大自然比這更微妙。”