十余天前，北京大學(xué)物理學(xué)院院長(zhǎng)、核物理與核技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任高原寧院士在自己的微信朋友圈分享了一段視頻——
那是第59屆國(guó)際電弱相互作用和統(tǒng)一理論會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)。會(huì)上，歐洲核子研究中心底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）合作組宣布“在重子衰變中觀測(cè)到電荷共軛-宇稱(chēng)聯(lián)合變換對(duì)稱(chēng)性（CP）破壞現(xiàn)象”，在場(chǎng)來(lái)自全球的科學(xué)家為之振奮，熱烈鼓掌。作為這項(xiàng)研究的主要完成人，北京大學(xué)物理學(xué)院2022級(jí)博士研究生楊雪婷被合作組同事引到會(huì)場(chǎng)講臺(tái)中央，接受大家的祝賀。
視頻下方，高原寧寫(xiě)道——
“CERN新聞發(fā)布：LHCb實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)重子CP破壞。北大學(xué)生楊雪婷作為主要完成者被同事們請(qǐng)上C位，她的博士導(dǎo)師是張艷席老師，猜猜張艷席的導(dǎo)師是誰(shuí)？”
答案不言而喻，作為張艷席的導(dǎo)師，高老師的欣喜與自豪穿過(guò)屏幕，撲面而來(lái)。重子CP破壞是在“拆CP”嗎？人類(lèi)首次觀測(cè)到重子CP破壞，究竟意味著什么？為此，我們采訪了包括高原寧院士、張艷席助理教授在內(nèi)的幾位LHCb中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)成員，試圖對(duì)這項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的重大發(fā)現(xiàn)有所認(rèn)識(shí)。
楊雪婷被引到會(huì)場(chǎng)講臺(tái)中央
CP破壞是什么？
CP破壞，是個(gè)物理學(xué)名詞，又被稱(chēng)為CP不守恒：C指的是電荷共軛變換（charge conjugation），P指的是宇稱(chēng)變換（parity）。
高原寧曾在北京大學(xué)“博雅理學(xué)講堂”第一講的課堂上，從如何定義“左”“右”和“正”“負(fù)”引入粒子物理學(xué)中的“分立對(duì)稱(chēng)性”概念，形象地向來(lái)自全校不同院系的同學(xué)們解釋道：
C就是把粒子變成它的反粒子，比如把電子變成正電子、把質(zhì)子變成反質(zhì)子；P則像是讓粒子照鏡子，它與鏡子里的粒子左右相反，呈現(xiàn)鏡像。
也就是說(shuō)，這里的“CP”描述的是粒子與其反粒子在鏡像世界中的對(duì)應(yīng)關(guān)系。物質(zhì)最深處的“鏡像配對(duì)”似乎與我們熟悉的網(wǎng)絡(luò)用語(yǔ)“CP”（角色配對(duì)）有著一種奇妙的跨域呼應(yīng)。
按照日常生活中的經(jīng)驗(yàn)，無(wú)論是電荷的正負(fù)、還是運(yùn)動(dòng)的左右，物理規(guī)律應(yīng)當(dāng)是完全對(duì)稱(chēng)的，就像我們照鏡子一樣。但當(dāng)物理學(xué)家把目光投向微觀世界，卻發(fā)現(xiàn)這種對(duì)稱(chēng)性被打破了。
1956年，李政道和楊振寧首先提出，在原子核和基本粒子之間以及基本粒子之間的弱相互作用下，宇稱(chēng)守恒定律并不適用——他們因此在1957年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
物理學(xué)家本以為引入電荷共軛變換，可以修補(bǔ)“左”“右”對(duì)稱(chēng)的破壞，不料，很快就發(fā)現(xiàn)無(wú)濟(jì)于事。
重子CP破壞，為什么尤為重要？
1964年，物理學(xué)家J·克羅寧和V·菲奇在中性K介子衰變中首次觀測(cè)到CP破壞——他們因此在1980年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而后，CP破壞現(xiàn)象相繼在其他類(lèi)型的介子上被發(fā)現(xiàn)。
所謂介子，指的是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的粒子。除此之外，物質(zhì)還會(huì)以重子的形式存在。LHCb中國(guó)團(tuán)隊(duì)成員、華中師范大學(xué)夸克與輕子物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝躍紅教授介紹說(shuō)：
重子由三個(gè)夸克組成，是構(gòu)成宇宙可見(jiàn)物質(zhì)最主要的成分。其實(shí)，我們熟悉的質(zhì)子和中子都是重子。
因此，重子中是否也存在CP破壞，格外引人關(guān)注。
經(jīng)過(guò)六十多年的探索，人類(lèi)終于首次觀測(cè)到了重子CP破壞現(xiàn)象。這不僅驗(yàn)證了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言，更為探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理開(kāi)辟了嶄新的路徑。
△粒子物理研究史中與CP破壞有關(guān)的里程碑。（圖片來(lái)源：歐洲核子研究中心LHCb合作組官網(wǎng)）
重子CP破壞，是如何被發(fā)現(xiàn)的？
LHCb中國(guó)團(tuán)隊(duì)近十年來(lái)在探索重味強(qiáng)子CP破壞方面系統(tǒng)布局，與我國(guó)理論物理學(xué)家密切配合、聯(lián)合攻堅(jiān)。LHCb中國(guó)團(tuán)隊(duì)成員、清華大學(xué)工程物理系張黎明長(zhǎng)聘副教授說(shuō)：
我們中國(guó)團(tuán)隊(duì)很早就瞄準(zhǔn)了這個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，與搞理論的同行一起選出10多種衰變過(guò)程進(jìn)行分析。
團(tuán)隊(duì)不斷模擬宇宙大爆炸時(shí)的情形，制造一次又一次的“小爆炸”，從產(chǎn)生的粒子中選取稀有的重子衰變過(guò)程。LHCb中國(guó)團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院錢(qián)文斌教授用一個(gè)形象的比喻來(lái)說(shuō)明這項(xiàng)工作的難度。
就像從一大堆稻草堆里挑一根針。
“小爆炸”實(shí)驗(yàn)每秒鐘都可能產(chǎn)生數(shù)以千萬(wàn)記的粒子衰變事件，其中大部分是噪聲。張艷席說(shuō)：
從最早的取數(shù)開(kāi)始，到最終挑選出約4萬(wàn)個(gè)底重子衰變和相應(yīng)4萬(wàn)個(gè)左右的反底重子衰變，LHCb實(shí)驗(yàn)做了10多年。
△LHCb合作組利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）提供的高速質(zhì)子碰撞，模擬宇宙大爆炸時(shí)的情景。碰撞中產(chǎn)生大量正、反重子，它們?cè)跇O短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變。中國(guó)科學(xué)家正是在這一過(guò)程中觀測(cè)到CP破壞現(xiàn)象。（圖片來(lái)源：歐洲核子研究中心LHCb合作組官網(wǎng)）
2025年春天，對(duì)LHCb北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，是個(gè)收獲的季節(jié)：先是在底重子的三體衰變中發(fā)現(xiàn)了CP破壞可能存在的跡象，顯著性水平為3.1倍標(biāo)準(zhǔn)差，于3月12日作為編輯推薦和亮點(diǎn)論文發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》；而后又在底重子的四體衰變（衰變產(chǎn)物為質(zhì)子、奇異介子、正π介子和反π介子，四種粒子）中證實(shí)了重子系統(tǒng)的CP破壞，顯著性水平達(dá)到5.2倍標(biāo)準(zhǔn)差。
去年10月就去往歐洲核子研究中心參與LHCb實(shí)驗(yàn)的楊雪婷，目前是北京大學(xué)物理學(xué)院的在讀博士生。談到自己在會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)接受大家祝賀時(shí)，她坦言自己感到很幸運(yùn)：
我的本科論文就是跟著導(dǎo)師做的這個(gè)領(lǐng)域的研究。參加LHCb實(shí)驗(yàn)的幾年來(lái)，我一直在跟老師和同學(xué)們一起參與這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的檢查和校驗(yàn)工作，確保我們找到了重子CP破壞的壓倒性證據(jù)。
發(fā)現(xiàn)重子CP破壞，只是第一步？
LHCb合作組發(fā)言人、意大利國(guó)家核物理研究院資深研究員文森佐·瓦尼奧尼對(duì)中國(guó)團(tuán)隊(duì)給予了高度評(píng)價(jià)：
重子CP破壞的發(fā)現(xiàn)，是粒子物理研究史中一座重要的里程碑。來(lái)自中國(guó)的LHCb實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這是他們長(zhǎng)期不懈努力的成果。
隨著大科學(xué)裝置迭代升級(jí)、前沿技術(shù)集中涌現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)性能日益提升，科學(xué)家有望在更高的精度下解析CP破壞機(jī)制，重構(gòu)138億年前決定物質(zhì)存續(xù)的關(guān)鍵瞬間，早日揭開(kāi)宇宙中正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)之謎。高原寧作為L(zhǎng)HCb中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，向我們簡(jiǎn)要介紹了下一步研究工作：
我們希望能夠在CP破壞的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和現(xiàn)有理論的預(yù)測(cè)之間找到一些差別。完全按照現(xiàn)有理論推演，預(yù)言的宇宙物質(zhì)規(guī)模要比現(xiàn)今我們所在的宇宙小得多。
什么是LHCb合作組？
LHC指的是由歐洲核子研究中心建造、運(yùn)營(yíng)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider）。它位于瑞士日內(nèi)瓦，是目前世界上規(guī)模最大、能量最高的粒子加速器裝置。
LHCb（Large Hadron Collider beauty）指的是LHC上的底夸克探測(cè)器。它的核心目標(biāo)之一是通過(guò)對(duì)重味強(qiáng)子CP破壞、稀有衰變等過(guò)程進(jìn)行高精度測(cè)量，精確檢驗(yàn)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型及探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。
LHCb合作組包括自24個(gè)國(guó)家、100家機(jī)構(gòu)的近1800名研究人員。其中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)由來(lái)自全國(guó)十余所高校和研究機(jī)構(gòu)的師生組成，在合作組探測(cè)器研制和關(guān)鍵物理課題研究中發(fā)揮著重要作用。
北京大學(xué)自成為L(zhǎng)HCb合作組正式成員以來(lái)，一直承擔(dān)物理研究和探測(cè)器建設(shè)的核心任務(wù)，楊振偉教授、張艷席助理教授、安劉攀助理教授等同時(shí)參與合作組管理與服務(wù)，團(tuán)隊(duì)的學(xué)術(shù)影響力和貢獻(xiàn)力日益提升。目前，北大團(tuán)隊(duì)正在與國(guó)內(nèi)外多家單位共同推進(jìn)LHCb探測(cè)器升級(jí)所需新型電磁量能器的核心研發(fā)工作，力爭(zhēng)在高亮度大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（HL-LHC）LHCb探測(cè)器的設(shè)計(jì)與建造中作出原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。
今年9月，LHCb合作組學(xué)術(shù)交流周LHCb Week將首次移師亞洲，在北京大學(xué)舉行。
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