當(dāng)?shù)貢r間2025年3月24日晚，歐洲核子研究中心（CERN）在第59屆國際電弱相互作用和統(tǒng)一理論會議上宣布，大型強(qiáng)子對撞機(jī)底夸克實驗（LHCb）合作組首次在重子衰變中觀測到電荷共軛-宇稱聯(lián)合變換對稱性破壞（簡稱CP破壞）現(xiàn)象。這一結(jié)果有助于我們進(jìn)一步認(rèn)知宇宙演化過程，被視為人類探索基本對稱性破壞歷程中一座新的里程碑。LHCb中國研究團(tuán)隊對這一重大突破作出了關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)。
北京大學(xué)物理學(xué)院、核物理與核技術(shù)全國重點(diǎn)實驗室張艷席助理教授指導(dǎo)的博士研究生楊雪婷作為這項研究的主要完成人，被LHCb合作組同事引至?xí)h舞臺接受掌聲（攝影：尹航）
138億年前的宇宙大爆炸本應(yīng)產(chǎn)生等量的正物質(zhì)與反物質(zhì)，然而如今的可觀測宇宙幾乎完全由正物質(zhì)主導(dǎo)。這一謎題被《科學(xué)》（Science）期刊列入全世界最前沿125個科學(xué)問題，其核心可能在于正反粒子行為的細(xì)微差異，即CP對稱性破壞。自1956年李政道和楊振寧提出弱相互作用下宇稱不守恒理論后，對基本對稱性破壞機(jī)制的探索一直是粒子物理學(xué)前沿的重大科學(xué)問題，相關(guān)研究成果多次被授予諾貝爾物理學(xué)獎。1964年，物理學(xué)家首次在含奇異夸克的介子衰變中觀測到CP破壞，此后數(shù)十年間相繼在含底夸克、粲夸克的介子體系驗證了這一現(xiàn)象。然而，重子作為構(gòu)成可見物質(zhì)的基本單元，60多年來，人們從未發(fā)現(xiàn)其CP破壞的跡象。
相較一對正反夸克組成的介子，由三個夸克組成的重子更為復(fù)雜，對其衰變模式的理論預(yù)言和實驗觀測難度更高，極具挑戰(zhàn)性。LHCb中國研究團(tuán)隊與我國理論物理學(xué)家密切配合，系統(tǒng)遴選出對CP破壞具有高靈敏度的一系列底重子衰變模式并聯(lián)合攻堅，近期取得了重大突破：先是在底重子的三體衰變中發(fā)現(xiàn)了CP破壞的跡象，于3月12日作為編輯推薦和亮點(diǎn)論文發(fā)表于《物理評論快報》；在本項研究中，又通過海量數(shù)據(jù)分析和交叉驗證，最終在底重子到質(zhì)子、奇異介子和正反π介子的四體衰變中確認(rèn)了正反底重子衰變率的差異，顯著性水平達(dá)到5.2倍標(biāo)準(zhǔn)差，從而首次證實了重子系統(tǒng)的CP破壞。相關(guān)研究論文已在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org公開發(fā)表[1]。
LHCb探測器專為研究含有底夸克、粲夸克的重味強(qiáng)子而設(shè)計，其核心任務(wù)之一是通過對重味強(qiáng)子的CP破壞、稀有衰變等過程進(jìn)行高精度測量，以精確檢驗粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型及探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。LHCb合作組由來自24個國家、100家研究機(jī)構(gòu)的近1800名研究人員組成。自2000年清華大學(xué)成為合作組正式成員以來，中國團(tuán)隊始終專注于重味物理前沿研究，先后吸納華中師范大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科學(xué)院高能物理研究所、華南師范大學(xué)、北京大學(xué)、湖南大學(xué)、蘭州大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、河南師范大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)加入，在探測器研制和關(guān)鍵物理課題研究中發(fā)揮越來越重要的作用。團(tuán)隊一方面聚焦重味強(qiáng)子產(chǎn)生機(jī)制與強(qiáng)子譜學(xué)研究，在首次發(fā)現(xiàn)五夸克態(tài)和雙粲重子等里程碑式成果中擔(dān)綱主力；另一方面，近十年來在重味強(qiáng)子CP破壞探索上系統(tǒng)布局，先后取得Bs介子系統(tǒng)CP破壞的高精度測量、B介子到粲偶素衰變直接CP破壞的首個跡象等重要成果，繼而率先叩開重子CP破壞之門。
此次發(fā)現(xiàn)重子衰變中的CP破壞，不僅驗證了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言，更為探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象開辟了嶄新的路徑。隨著大科學(xué)裝置迭代升級、前沿技術(shù)集中涌現(xiàn)、實驗性能日益提升，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，早日解開宇宙中正反物質(zhì)不對稱之謎。
[1] LHCb collaboration,“Observation of charge-parity symmetry breaking in baryon decays”, arXiv：2503.16954
歐洲核子研究中心官方報道：A new piece in the matter–antimatter puzzle
