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  一個(gè)重大的謎題  

物質(zhì)、能量、時(shí)間和空間……我們所知道的一切都始于138億年前的大爆炸。

根據(jù)已知的物理學(xué)定律，在大爆炸之后，宇宙中應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。而我們知道，當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)相遇時(shí)，它們會(huì)湮滅，以光子的形式釋放出能量。這就意味著，理論上，在宇宙最初的時(shí)刻，物質(zhì)和反物質(zhì)就應(yīng)該全部湮滅，導(dǎo)致宇宙中只剩下能量。但如果真的是這樣，就不會(huì)有星系、恒星、行星，甚至是你、我存在于今天的宇宙中了。

因此，在遙遠(yuǎn)的過去，必然有某種未知的機(jī)制，導(dǎo)致了物質(zhì)在那場“物質(zhì)和反物質(zhì)的湮滅之戰(zhàn)”中勝出，使今天的宇宙完全由物質(zhì)組成。

1967年，物理學(xué)家Andrei Sakharov提出，如果宇宙滿足幾個(gè)條件，就有可能演化出一個(gè)由物質(zhì)主導(dǎo)的世界，其中一個(gè)條件便是自然界中的一種基本對(duì)稱性必須被打破，這種對(duì)稱性就是CP對(duì)稱性。

  打破CP對(duì)稱性  

CP是由電荷共軛（C）和宇稱（P）兩個(gè)分量的乘積給出的自然界的離散對(duì)稱性。

電荷共軛能讓正反電荷互換，將一個(gè)粒子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的反粒子。例如，對(duì)一個(gè)電子施加電荷共軛，就會(huì)得到一個(gè)正電子。宇稱則是讓空間坐標(biāo)（上下、左右、前后）翻轉(zhuǎn)的變換，比如宇稱能讓一個(gè)以速度v、從左向右移動(dòng)的電子改變方向，變成以速度-v、從右向左移動(dòng)。換句話說，宇稱對(duì)稱會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)的鏡像。

因此，當(dāng)對(duì)一個(gè)以速度v運(yùn)動(dòng)的電子進(jìn)行CP變換時(shí)，將得到一個(gè)以-v速度運(yùn)動(dòng)的正電子（即電子的反粒子）。也就是說，對(duì)物質(zhì)實(shí)施CP變換，就能得到相應(yīng)反物質(zhì)的鏡像。

現(xiàn)在，讓我們假設(shè)存在一個(gè)可以復(fù)原反物質(zhì)鏡像的設(shè)備——“CP-鏡”。直覺上，我們會(huì)期待我們的“反我”在CP-鏡中向我們招手。也就是說，我們期望CP是自然界的一個(gè)很好的對(duì)稱。然而，事實(shí)真的會(huì)是這樣嗎？

1964年，克羅寧（James Cronin）和菲奇（Val Fitch）在研究中性K介子（包含一個(gè)奇夸克）的放射性衰變時(shí)，首次觀測到了CP對(duì)稱性被打破。這在當(dāng)時(shí)是非常令人震驚的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槲锢韺W(xué)界是如此肯定CP對(duì)稱性是不會(huì)被破壞的。

1970年代初，在卡比博（Nicola Cabibbo）和其他人的工作基礎(chǔ)之上，小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）意識(shí)到CP破缺可以自然地被囊括在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型的理論框架中。他們的想法最終在2001年得到了證實(shí)，當(dāng)時(shí)BaBar和Belle合作組在中性B介子（包含一個(gè)底夸克）衰變中也觀測到了CP破缺。

這兩項(xiàng)發(fā)現(xiàn)分別獲得了1980年和2008年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

  用希格斯玻色子探測CP對(duì)稱  

但目前為止，已經(jīng)觀測到的CP破缺過程仍不足以解釋宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)的不對(duì)稱性，一定還存在其他的CP破缺的來源，而且它們很可能就隱藏在與希格斯玻色子有關(guān)的相互作用中。

在對(duì)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）第2次運(yùn)行所得到的完整數(shù)據(jù)集開展的一項(xiàng)新分析中，喂了尋找CP破缺的跡象，研究人員測試了希格斯玻色子與弱力的載力粒子（即W和Z玻色子）的相互作用。

他們研究了希格斯玻色子衰變?yōu)閮蓚€(gè)Z玻色子的過程，每個(gè)Z玻色子都能轉(zhuǎn)化為一對(duì)輕子（一個(gè)電子和一個(gè)正電子，或一個(gè)μ子和一個(gè)反μ子），因此最終得到四個(gè)帶電輕子。

他們還研究了兩個(gè)W或Z玻色子結(jié)合產(chǎn)生希格斯玻色子的相互作用。在這種情況下，一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克會(huì)與希格斯玻色子一同產(chǎn)生，并在探測器中產(chǎn)生粒子“噴注”。

這些相互作用是CP破缺的理想試驗(yàn)場。當(dāng)CP對(duì)稱守恒時(shí)，觀測到的噴注和輕子的行為模式應(yīng)該是相同的。然而，當(dāng)CP對(duì)稱破缺時(shí)，粒子和反粒子的行為就會(huì)不同。

研究人員將在這些過程中檢測到的粒子的所有信息總結(jié)為一個(gè)數(shù)字——最優(yōu)可觀測量。這個(gè)可觀測量的一個(gè)特殊特征是，其反粒子的測量值應(yīng)該與粒子的測量值相等，但符號(hào)相反。如果一個(gè)過程是CP對(duì)稱守恒的，那么數(shù)據(jù)中最優(yōu)可觀測量的平均值應(yīng)該為0；如果CP破缺，均值就不會(huì)為0。

在新的分析中，研究人員使用最優(yōu)可觀測量，直接為CP破缺的可能數(shù)量擬定了極限。他們還測量了在校正可能存在的任何實(shí)驗(yàn)影響后，數(shù)據(jù)中每個(gè)最優(yōu)可觀察量的出現(xiàn)頻率。這種測量使研究人員能夠以一種與模型無關(guān)的方式將數(shù)據(jù)與理論預(yù)測進(jìn)行比較，并檢驗(yàn)潛在理論假設(shè)的有效性。

這是首次對(duì)希格斯玻色子衰變?yōu)樗膫€(gè)輕子的測量，這種測量讓物理學(xué)家能以一種與模型無關(guān)的方式探測CP破缺的潛在跡象，它無需強(qiáng)烈依賴標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測的CP對(duì)稱之外的其他方面。

所有的結(jié)果看起來都符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)期，這代表了對(duì)當(dāng)前自然理論的另一個(gè)重要證實(shí)。然而，這只是第一步。小的CP破缺信號(hào)仍然能與數(shù)據(jù)兼容，研究人員已經(jīng)在以前所未有的能量收集新的碰撞數(shù)據(jù)，這將使這些測量的精度得到提高，從而進(jìn)一步挖掘希格斯玻色子的性質(zhì)。