科學家首次測出正反介子之間質量差異

正反粲介子質量差異示意圖。(CERN)

【大紀元2021年06月21日訊】（大紀元記者高文森編譯報導）物理學家從歐洲核研究組織（CERN）大型強子底夸克對撞機（LHCb）的實驗數據里，首次證實粲介子（charm meson）可以在其正反粒子間來回變換，並計算出其正反粒子的質量差別為1×10⁻³⁸克。

科學家認為構成這個世界的所有基礎粒子都存在其對應的反粒子，即特性一摸一樣，只是帶相反電荷的粒子。這兩種粒子相遇就會湮滅消失，成為一道能量。按照大爆炸宇宙誕生理論，大爆炸應該產生對等數量的正粒子和反粒子，但是現在觀察到這個世界幾乎都是由正粒子構成。這是現代物理學上最大的難題之一。

上世紀60年代，科學家第一次觀察到一種介子能夠自發地變成自己的反粒子，再變回來，也就是說在正反粒子之間來回振蕩。之後陸續又發現了幾種。介子是一類亞原子，由一個夸克和一個反夸克組成。

物理學標準粒子模型認為，只有四種粒子具有這種振蕩特性。它們分別是粲介子、奇異介子（strange meson）和兩種b介子（beauty meson）。

這份研究通過分析來自大型強子對撞機大量的實驗數據，第一次證實粲介子在其正反粒子之間的振蕩，並能夠測量到其正反粒子之間微小的質量差別。

研究人員表示，粲介子平均只能運動幾毫米的距離就衰變成為其它粒子。因此這項研究得益於強子對撞機產生了足夠數量的粲介子、以及捕捉到足夠次數的正反粒子振蕩，才有可能測量到正反粒子間如此精確的質量差別。

牛津大學物理學家、LHCb合作組成員威爾金森（Guy Wilkinson）說：「這項成果的驚人之處在於，與b介子不同，（粲介子）振蕩很慢，絕大部分粒子還沒機會開始振蕩就已經衰變成其它粒子，因此在它衰變之前的時間里進行測量，這相當困難。然而，因為LHCb蒐集了足夠多的數據，我們終於能夠測出結果。」

研究稱，10⁻³⁸克這個測量結果在統計學上的顯著度已經超過了粒子物理學確認一項觀測結果所需的5σ。

研究者表示這項成果將推動探索物理學上關於粒子在基本模型認知之外的特性。比如一個很大的問題是，這種正反粒子間的振蕩，是不是由某些未知粒子造成的。

這些未知的粒子，有可能對粒子在其正反粒子之間振蕩的平均速度起到一定影響，或是影響到正粒子變成反粒子，與反粒子變成正粒子這兩個過程之間速度的差異。

研究人員認為，這些問題的答案將為回答更大的問題——「這個世界為什麼都是正物質構成」提供重要的線索。

這份研究6月7日發表於預印網arXiv，並將發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

責任編輯：葉紫微