得益于北京谱仪III“完美的探测器设计”

探索正反物质差异有了灵敏探针

正—反科西超子级联衰变演示图中科院高能物理所供图

■本报记者 倪思洁

北京正负电子对撞机上的北京谱仪III（BESIII）实验实现了一种全新方法，为研究物质和反物质之间的差异提供了极其灵敏的探针。6月2日，相关研究成果刊发于《自然》杂志。

论文所有匿名评审都对这一成果大加赞赏：“创新的测量方法”“很重要”“很新颖”“吸引人”“非常有前景”……到底是什么成果，竟让匿名评审们如此兴奋？

不好好“组CP”的反物质

“正反物质不对称性”是困扰科学界半个多世纪的问题，也是粒子物理学家一直在寻找的现象。他们常会提到一个词——“CP破坏”。

“CP破坏”里的“CP”，和我们平时常说的“组CP”里的“CP”（情侣档）并不是一码事。

130亿年前，宇宙在发生大爆炸之后迅速膨胀、冷却，大量正反粒子彼此结合、湮没。然而，就像闹了别扭的情侣一样，正反粒子在结合湮没的过程中，行为出现了一些不同。每十亿个正反粒子湮没的过程中，就有一个正物质粒子被留了下来，并最终组成了当今宇宙中所有的物质。

科学家将正粒子和反粒子衰变过程不一样的现象，称为“CP破坏”。

“CP破坏”的名字与李政道、杨振宁密切相关。他们提出并获得诺贝尔物理学奖的“宇称不守恒定律”认为，粒子的弱相互作用中存在“镜像”空间反射不对称性。

在此基础上，科学家总结出了“CP破坏”。“CP破坏现象可以用来解释为什么我们的世界中只有正物质，没有反物质。”中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳告诉《中国科学报》。

宇宙原初反物质为何消失？

超子CP破坏有望解谜

自上个世纪60年代以来，国外科学家已经相继在介子系统中发现了CP破坏。可是，正反物质的不对称性并没有因此得到完美解释。

“在构成世界的主要粒子中，介子数量很少，介子衰变时多出来的正物质并不足以形成现在的世界。”王贻芳说。

与数量稀少的介子不同，重子是构成世界的主要粒子。“如果能在重子中找到CP破坏，我们就能够更好地理解宇宙原初反物质消失之谜。”王贻芳说。

遗憾的是，科学家从未在重子衰变中发现过CP破坏，原因在于“弱衰变信号有时会被强相互作用掩盖”。“所以要想看到重子的CP破坏，就需要有足够高灵敏度和创新性的实验方法，把弱相互作用与强相互作用的信号区分开来。”王贻芳说。

超子是重子中的一种，类似于质子，但寿命很短，因此不像质子那样可以存在于我们身边。在超子中，有一个名叫“科西超子”的成员，由两个奇异夸克和一个轻夸克组成，当奇异夸克发生弱衰变时，它便消失了。

超子衰变被科学家视为“寻找CP破坏的一个很有希望的狩猎场”，因为测量CP破坏时需要的一些信息可以通过超子的衰变直接测量。

发现了高精度测量方法

从2009年起，BESIII实验从正负电子对撞出的“碎片”中，收集到了约100亿J/psi粒子。这种名叫“J/psi”的粒子会衰变产生正—反科西超子，之后，正—反科西超子还会继续衰变、消失。

BESIII实验组的科研人员用了100亿粒子事例中的13亿，分析出了正—反科西超子的诞生过程，重建出7万多个正—反科西超子对。如此一来，BESIII就成了一个干净、小巧的科西超子“工厂”。

“干净”是因为本底污染率小于千分之一水平。“小”是因为BESIII实验中，超子产额并不算多。“巧”是因为BESIII实验的敏感度足够高。

“我们的超子产额只有美国费米实验室一个叫HyperCP实验产额的千分之一，但单事例的敏感度是HyperCP单事例的一千倍。”BES III实验发言人、中科院高能物理研究所研究员李海波说。

在分析数据时，BESIII实验组的科研人员发现了一种高精度测量超子CP破坏的方法。

早先，他们发现，刚衰变出来的正科西超子和反科西超子之间存在一种特殊的现象——“量子纠缠”。于是，利用这种独特的量子纠缠效应，再结合科西超子其他数据信息，实验人员不仅从海量数据中同时找出了正科西超子、反科西超子的衰变信号，还以前所未有的精度测量出正—反科西超子的不对称参数。

“新方法解决了30年来不能同时高效地对超子和其反粒子测量的困境，也给出了更丰富的CP破坏测量结果。”李海波说。

“这一成果已经引起国际同行的关注，相关研究人员被2021年国际轻子光子大会邀请作大会专题报告，成为这一领域的新星。”王贻芳说。

暂未发现新物理现象，将分析更多数据

遗憾的是，BESIII实验组此次的测量结果并没有显示出超子的CP破坏迹象。即便如此，新方法的发现依然得到了国际匿名评审的认可。

一位匿名评审点评说：“即使尚未发现CP破坏的新迹象，但研究方法上仍然很有趣。”另一位匿名评审认为：“新方法为将来的实验指明了方向，铺平了道路。”

“这一创新方法为我们未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。”王贻芳说。

抱着这样的希望，实验组正在向更高的测量精度发起挑战。“我们希望在不远的将来，能够用这种测量方法发现超子CP破坏的实验证据。”王贻芳表示，BESIII实验组正在分析100亿粒子衰变数据，测量精度有望再提高3倍左右。

目前，这支由我国主要开展研究的实验团队面临着激烈的国际竞争。

“欧洲核子中心的大型强子对撞机底夸克探测器（LHC-b）也正在大量制造超子。不过，他们的本底污染率比我们高。”李海波告诉《中国科学报》，BESIII实验组在测量上的优势在于BESIII实验“完美的探测器设计”。

BESIII是我国历史上最早的粒子物理大科学装置——北京正负电子对撞机上的探测器。它关注两个科学问题：夸克如何组成物质粒子和宇宙物质—反物质不对称的起源。

王贻芳介绍，从2009年至今，BESIII实验已经发表了400余篇研究成果。该探测器计划运行到2030年。

作为我国自主研发的大型高能实验装置，BESIII实验吸引了来自17个国家80家科研机构的约500个科研人员，是目前国内正在运行的最大国际合作组。此次发表的新成果由中国科学家和国外合作者共同完成。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04624-1