探索自然界的基本对称性

  一个重大的谜题  

物质、能量、时间和空间……我们所知道的一切都始于138亿年前的大爆炸。

根据已知的物理学定律，在大爆炸之后，宇宙中应当产生了相同数量的物质和反物质。而我们知道，当物质和反物质相遇时，它们会湮灭，以光子的形式释放出能量。这就意味着，理论上，在宇宙最初的时刻，物质和反物质就应该全部湮灭，导致宇宙中只剩下能量。但如果真的是这样，就不会有星系、恒星、行星，甚至是你、我存在于今天的宇宙中了。

因此，在遥远的过去，必然有某种未知的机制，导致了物质在那场“物质和反物质的湮灭之战”中胜出，使今天的宇宙完全由物质组成。

1967年，物理学家Andrei Sakharov提出，如果宇宙满足几个条件，就有可能演化出一个由物质主导的世界，其中一个条件便是自然界中的一种基本对称性必须被打破，这种对称性就是CP对称性。

  打破CP对称性  

CP是由电荷共轭（C）和宇称（P）两个分量的乘积给出的自然界的离散对称性。

电荷共轭能让正反电荷互换，将一个粒子转化为相应的反粒子。例如，对一个电子施加电荷共轭，就会得到一个正电子。宇称则是让空间坐标（上下、左右、前后）翻转的变换，比如宇称能让一个以速度v、从左向右移动的电子改变方向，变成以速度-v、从右向左移动。换句话说，宇称对称会产生现实的镜像。

因此，当对一个以速度v运动的电子进行CP变换时，将得到一个以-v速度运动的正电子（即电子的反粒子）。也就是说，对物质实施CP变换，就能得到相应反物质的镜像。

现在，让我们假设存在一个可以复原反物质镜像的设备——“CP-镜”。直觉上，我们会期待我们的“反我”在CP-镜中向我们招手。也就是说，我们期望CP是自然界的一个很好的对称。然而，事实真的会是这样吗？

1964年，克罗宁（James Cronin）和菲奇（Val Fitch）在研究中性K介子（包含一个奇夸克）的放射性衰变时，首次观测到了CP对称性被打破。这在当时是非常令人震惊的发现，因为物理学界是如此肯定CP对称性是不会被破坏的。

1970年代初，在卡比博（Nicola Cabibbo）和其他人的工作基础之上，小林诚（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）意识到CP破缺可以自然地被囊括在粒子物理学的标准模型的理论框架中。他们的想法最终在2001年得到了证实，当时BaBar和Belle合作组在中性B介子（包含一个底夸克）衰变中也观测到了CP破缺。

这两项发现分别获得了1980年和2008年的诺贝尔物理学奖。

  用希格斯玻色子探测CP对称  

但目前为止，已经观测到的CP破缺过程仍不足以解释宇宙中物质-反物质的不对称性，一定还存在其他的CP破缺的来源，而且它们很可能就隐藏在与希格斯玻色子有关的相互作用中。

在对大型强子对撞机（LHC）第2次运行所得到的完整数据集开展的一项新分析中，为了寻找CP破缺的迹象，研究人员测试了希格斯玻色子与弱力的载力粒子（即W和Z玻色子）的相互作用。

他们研究了希格斯玻色子衰变为两个Z玻色子的过程，每个Z玻色子都能转化为一对轻子（一个电子和一个正电子，或一个μ子和一个反μ子），因此最终得到四个带电轻子。

他们还研究了两个W或Z玻色子结合产生希格斯玻色子的相互作用。在这种情况下，一个夸克和一个反夸克会与希格斯玻色子一同产生，并在探测器中产生粒子“喷注”。

这些相互作用是CP破缺的理想试验场。当CP对称守恒时，观测到的喷注和轻子的行为模式应该是相同的。然而，当CP对称破缺时，粒子和反粒子的行为就会不同。

研究人员将在这些过程中检测到的粒子的所有信息总结为一个数字——最优可观测量。这个可观测量的一个特殊特征是，其反粒子的测量值应该与粒子的测量值相等，但符号相反。如果一个过程是CP对称守恒的，那么数据中最优可观测量的平均值应该为0；如果CP破缺，均值就不会为0。

在新的分析中，研究人员使用最优可观测量，直接为CP破缺的可能数量拟定了极限。他们还测量了在校正可能存在的任何实验影响后，数据中每个最优可观察量的出现频率。这种测量使研究人员能够以一种与模型无关的方式将数据与理论预测进行比较，并检验潜在理论假设的有效性。

这是首次对希格斯玻色子衰变为四个轻子的测量，这种测量让物理学家能以一种与模型无关的方式探测CP破缺的潜在迹象，它无需强烈依赖标准模型所预测的CP对称之外的其他方面。

所有的结果看起来都符合标准模型的预期，这代表了对当前自然理论的另一个重要证实。然而，这只是第一步。小的CP破缺信号仍然能与数据兼容，研究人员已经在以前所未有的能量收集新的碰撞数据，这将使这些测量的精度得到提高，从而进一步挖掘希格斯玻色子的性质。

#创作团队：

撰文：二宗主

排版：雯雯

#参考来源：

https://physics.mit.edu/wp-content/uploads/2021/01/physicsatmit_06_sciollafeature.pdf

https://home.cern/news/news/physics/probing-fundamental-symmetries-nature-higgs-boson

https://atlas.cern/Updates/Briefing/CP-Symmetry-Higgs

#图片来源：

封面图 & 首图：ATLAS / CERN

本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）

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