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科学家首次测出正反介子之间质量差异

物理学家从欧洲核研究组织(CERN)大型强子底夸克对撞机(LHCb)的实验数据里,首次证实粲介子(charm meson)可以在其正反粒子间来回变换,并计算出其正反粒子的质量差别为1×10⁻³⁸克。科学家首次测出正反介子之间质量差异正反粲介子质量差异示意图。(CERN)科学家认为构成这个世界的所有基础粒子都存在其对应的反粒子,即特性一摸一样,只是带相反电荷的粒子。这两种粒子相遇就会湮灭消失,成为一道能量。按照大爆炸宇宙诞生理论,大爆炸应该产生对等数量的正粒子和反粒子,但是现在观察到这个世界几乎都是由正粒子构成。这是现代物理学上最大的难题之一。上世纪60年代,科学家第一次观察到一种介子能够自发地变成自己的反粒子,再变回来,也就是说在正反粒子之间来回振荡。之后陆续又发现了几种。介子是一类亚原子,由一个夸克和一个反夸克组成。物理学标准粒子模型认为,只有四种粒子具有这种振荡特性。它们分别是粲介子、奇异介子(strange meson)和两种b介子(beauty meson)。这份研究通过分析来自大型强子对撞机大量的实验数据,第一次证实粲介子在其正反粒子之间的振荡,并能够测量到其正反粒子之间微小的质量差别。科学家首次测出正反介子之间质量差异研究人员表示,粲介子平均只能运动几毫米的距离就衰变成为其它粒子。因此这项研究得益于强子对撞机产生了足够数量的粲介子、以及捕捉到足够次数的正反粒子振荡,才有可能测量到正反粒子间如此精确的质量差别。牛津大学物理学家、LHCb合作组成员威尔金森(Guy Wilkinson)说:“这项成果的惊人之处在于,与b介子不同,(粲介子)振荡很慢,绝大部分粒子还没机会开始振荡就已经衰变成其它粒子,因此在它衰变之前的时间里进行测量,这相当困难。然而,因为LHCb搜集了足够多的数据,我们终于能够测出结果。”研究称,10⁻³⁸克这个测量结果在统计学上的显着度已经超过了粒子物理学确认一项观测结果所需的5σ。研究者表示这项成果将推动探索物理学上关于粒子在基本模型认知之外的特性。比如一个很大的问题是,这种正反粒子间的振荡,是不是由某些未知粒子造成的。这些未知的粒子,有可能对粒子在其正反粒子之间振荡的平均速度起到一定影响,或是影响到正粒子变成反粒子,与反粒子变成正粒子这两个过程之间速度的差异。科学家首次测出正反介子之间质量差异研究人员认为,这些问题的答案将为回答更大的问题——“这个世界为什么都是正物质构成”提供重要的线索。这份研究6月7日发表于预印网arXiv,并将发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

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