互动科普

物质和反物质之间的不对称现象

Helen R. Quinn， Micheal S. Witherell

1999年，新建成的加速器将开始寻找自然界一种基本对称性的破缺，从而打开一扇观察至今不为人所知的物理世界的窗户。

人类在观察宇宙时，放眼所及，到处都可以发现一种基本的不平衡现象。恒星、行星、小行星岩石——一切的一切都是由物质构成的。反物质实际上不见踪影。

这种不平衡是不是意外事件造成的(也就是说是不是字宙诞生时某一偶然事件的结果)？或者它是不是自然法则中存在的某种不对称性的必然后果？理论家们相信，物质的过量是物质与反物质行为的根本差异造成的。这些差异合起来导致了一种名为电荷宇称反转(cp)的对称性的破缺。

经过几年的努力后，实验物理学家和理论物理学家们已经发现，在流行的粒子物理理论(称为标准模型)的框架内存在着一条导致CP对称性破缺的自然途径。难以理解的是该模型预测的CP破缺的程度太小无法解释宇宙中的物质过量。

此项发现是一条关键的线索，证明标准模型并非尽善尽美。某些未知的因素极有可能在起着作用。两台刚刚在加利福尼亚州和日本完工的新型加速器很快就将开始探索CP破缺，以便弄清标准模型是否需要被修改或取代。这两台加速器被称为“非对称B工厂”(asymmetric B factory)，它们将产生数量极为庞大的称为B介子的粒子。它们是探索标准模型以外的物理世界的最新工具。

标准模型描述了粒子之间的3类相互作用：人们熟悉的电磁力以及强力和弱力。强相互作用把夸克束缚在质子之类的复合粒子内。弱相互作用导致不稳定。所有这些力都是通过标准模型的专门粒子传递的，其中有光子、胶子、W和Z玻色子。最后，标准模型还要求有一种尚未被观测到的希格斯粒子，这种粒子的相互作用使希格斯粒子——这种粒子的相互作用——使夸克和轻子具有质量，同时也解释了它们的许多行为。

另外一族被称为介子的复合粒子。对于弄清CP破缺也是必不可少的。介子由一个夸克和一个反夸克构成，是物质与反物质的对等的混合物。一类非常重要的介子是K介子，由一个奇异夸克或反夸克同上夸克或下夸克及反夸克构成。

在标准模型之外

尽管标准模型在描述物质行为方面取得了成功，但这种模型仍存在一些老大难问题。物理学家们不了解决定该模型的18个参数的机制。为了使该模型能描述我们所知道的世界，其中某些参数必须具有非常精细地调节的值，而且无人知道为什么恰好是这些值管用。更根本的问题是，我们完全不知道为什么这个模型描述了自然界——例如，为什么恰好有3代轻子和夸克，而不是更多或更少？最后，涉及希格斯粒子的该理论的许多方面全都未经过检验。但是，如果希格斯玻色子的性质与标准模型的预测相吻合，那么目前正在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室(CERN)建造的大型强子对撞机将使我们能够观测到希格斯粒子。据说希格斯粒子是标准模型的大多数未解之谜(包括CP对称性破缺）的根源。

即使用某种操作(例如反射)对物理系统的组成部分作了变换之后，一种物理理论的法则同样适用．那么我们就说这一理论具有对称性。操作的一个重要实倒就是所谓宇称反转的操作(记为P)。此操作把一个物体变换成它的镜面反射，并使它绕着与镜面相垂直的轴转动180度(见图5)用数学术语来说就是字称使得与该物体相关的矢量反转了。

如果一种理论的物理法则在宇称反转后的世界中与现实世界中是相同的，那么这种理论就具有P对称性。根据轻子与夸克的自旋方向——即它们绕着其运动方向的内部旋转方向一一可以把它们分为右旋和左旋两类。如果P对称性成立，那么右旋粒子的行为和左旋粒子完全相同。

电动力学与强相互作用的法则在字称反射变换后的宇宙中是不变的。但是在1957年进行的一项著名实验中，哥伦比亚大学的吴健雄和她的合作者们发现，手征性不同的粒子的弱相互作用完全不同。奇妙的是，只有左旋粒子一一而不是右旋粒子——能通过弱相互作用衰变。此外，就我们所知，不存在左旋中微子；中微子永远是右旋的。由于中微子与宇宙的其余部分之间只存在弱相互作用，因此这一不对称现象被归因于弱力。这样弱力就破坏了P对称。

自然界的另一种基本的对称性是电荷共轭，即C。这一操作使每个粒子的量子数变为其反粒子的量子数，在弱相互作用中，电荷对称也遭到破坏：反中微子不是左旋的，而只有右旋的。

理论家们把C和P结合起来，就得到CP操作，它使所有粒子都变为其相应的反粒子，同时也使所有矢量的方向反转。在CP变换下，左旋中微子就变成了右旋反中微子。右旋反中微子不仅存在，而且它与其它粒子的相互作用也与左旋中微子与其它粒子的相互作用相同。这样．虽然电荷与字称的对称性各自都被中微子所破坏，但在联合起来时它们的要求却似乎得到了满足。

令物理学家们大感意外的是，CP的情况被证明绝不是简单的。德国数学家Emmy Noether在1917年证明的一个数学定理指出，每种对称性都意味着存在着一个相关的守恒量，即不变的量。例如，时空在所有方向上是相同的(也就是说具有旋转对称性)。这一事实导致了角动量守恒。Noether的定理意味着．如果电荷字称是自然界的一种准确的对称性，那么一个称为CP数的量就将是守恒的。

CP遭破坏

以相同的能量沿着相反的方向运动的一个粒子及其反粒子形成了具有电荷字称对称性的一对粒子：CP操作不会使这一系统发生变化(把它作为一个整体来看)，除非它的数学表达式取得了一个总因数(ovcrallfactor)。这个因数就是CP数。

无论是C还是P，如果对一个系统作用两次，就使该系统又返回原先的状态这一性质可以表示为CP=1。(这里1代表恒等操作，也就是不产生任何变化。)因此，CP数只能为+1或-1.如果自然界具有完全的电荷宇称对称性，Nocther的定理就要求任何CP数为-1的物理状态都不能转变成CP数为+1的状态。

试考虑一下电中性的K介子。K0由一个下夸克和一个反奇异夸克构成，而反K0粒子由一个反下夸克和一个奇异夸克构成。由于CP使夸克和反夸克互换，它将使每种K介子转变成另一种K介子而不是使它们保持不变。因此，两种K介子都没有确定的CP数。然而，理论家们可以通过把K0和反K0粒子的波函数迭加而构造出一对有确定的CP数的K介子。根据量子力学的法则。这两种混合物对应于真实粒子，而且有确定的质量和寿命。

CP数守恒律可以解释一个奇异的细节：两种“组合K介子”虽然看起来相似，但其寿命却相差约500倍[见图4]。CP数为+1的K介子可以变成两个π介子，这是一种具有相同的CP数的状态。这个衰变过程进行得很迅速，因为K介子的质量大得足以很容易产生两个π介子。但是CP数为一1的K介子则只能衰变成另一种CP数为一1的状态，即3个π介子。．这后一种衰变需要一定的时间，因为K介子极少有使它足以产生3个介子的质量。这样，当物理学家们除了一种短寿命的K介子之外又发现了一种长寿命的K介子时，他们就找到了证明组合K介子服从CP对称性的强有力的证据。

这一简洁漂亮的图景在1964年被打破了。这一年，James Christenson，James Cronin，Val Fitch和Rene Turlay在长岛上的布鲁克海文实验室进行的一项开创性实验中观察到．每500个长寿命K介子中(也就是那些CP数为一1的K介子)，有一个衰变成两个子。如果CP是自然界中的一种完全精确的对称性，那么它就不会允许这样一种衰变发生。粒子物理学中极少有实验产生出象这一实验那样出人意料的结果。理论家们发现，很难看出CP对称性为什么会破缺，更难理解为什么破缺的程度会是如此之小。

1972年，名古屋大学的Makoto Kobayashi和Toshihide Maskawa证明，如果存在3代或3代以上的夸克，那在标准模型的框架内电荷宇称就有可能被破坏。恰巧当时人们只知道有两代夸克——第一代包括上夸克和下夸克，第二代包括奇异夸克和粲夸克。因此，只有到1975年，当斯坦福直线加速器中新(SLAC)的Martin L. Perl和其他人探测到τ轻子(tau)——即首批第三代粒子——之后，这一说法才开始流传开来。两年之后，在伊利诺斯州巴达维亚费米国立加速器实验室进行的实验发现了底夸克。但是只有到最近，随着顶夸克的发现(也在费米实验室被发现的)，第三代粒子才算是凑齐了。

使宇宙偏斜

可以想象，字宙诞生之时是偏斜的(Skewed)——也就是开始时宇宙的粒子数与反粒子数并不相等。但是，如果早期字宙具有任何能够改变重子数——物质粒子的数目减去反物质粒子的数目——的过程的话，那么这一初始的不平衡很快就会被消除。(在作为标准模型进一步发展的所谓大统一理论中，这样一些过量紧跟着大爆炸之后的时期内是非常普遍的。)理论家们比较喜欢一种替代的理论——在早期宇宙中粒子与反粒子的数目是相等的，但是随着宇宙的膨胀和冷却，前者逐渐占据了优势。

苏联物理学家(也是一位持不同政见者)Andrei Sakharov指出，为了产生这种不对称性，需要3个条件。第一个条件是，必须存在重子数在其中不守恒的基本过程。第二个条件是，在膨胀期间，字宙不能达到热平衡状态。(在热平衡状态下，所有能量相同的状态都含有同等的粒子数，而由于粒子和反粒子具有相同的质量即能量，它们应当以相同的速率生成。)第三个条件是，CP对称性——实质上就是物质与反物质之间的对称性一一必须发生破缺。否则任何一种使物质的量发生变化的过程都将被反物质所受到的一种类似作用所抵消。

流行的理论认为，当宇宙诞生时，与希格斯粒子相关的量子场处处为零。然后，在宇宙的某个地方产生出一个气泡，此气泡内的希格斯场取其现在的非零值。在气泡之外，粒子与反粒子没有质量：然而，一旦进人粒子内，它们就与希格斯场发生相互作用，从而获得了质量。但是随着气泡的增大，由于CP破缺，粒子与反粒子以不相等的速率穿过气泡的表面。在气泡之外由此而产生的物质与反物质之间的不平衡被改变重子数的过程迅速地抵消了。

然而，这类过程在气泡内是极为罕见的。因此，上述不平衡状态就被固定了下来。到气泡膨胀到占据了整个宇宙之时，它所含有的粒子数就超过了反粒子数。最终宇宙冷却到这样一种程度：粒子和反粒子不再能通过碰撞而产生，而是在相遇时湮灭。

遗憾的是，当理论家们计算这样一种机制所能产生的物质与反物质之间的不平衡程度有多大时，其结果所得的值太小了——小了许多个数量级。这一失败提示，必定还存在CP对称性破缺的其它途径，因此标准模型可能是不完备的。

一处可以寻找更多破缺的地方最可能是在B介子中标准模型预测，B0和反B0衰变的各种途径是高度非对称的。一个B0粒子由一个下夸克结合到一个反底夸克上而组成，一个反B0粒子则由一个反下夸克和一个底夸克组成。B介子的行为非常类似于前面列论过的K介子；观察到的B介子是B0粒子和反B0粒子的混合物。

试考虑在某一时刻产生的一个

B0介子的演变过程在它产生之后的某个时候，一个观察者有一定的几率发现这同一个粒子，同肘也有一定的几率发现它的反粒子，即反B0。这一奇异的介子状态——在某一给定的夸克一反夸克组合及其反粒子之问来振荡的状态——是对其中起作用的量子机制的极好描述。

最终结果

为了研究CP破缺，实验科学家们需要研究B。衰变成那些具有确定的CP数的最终状态的过程。对于最初是B0的粒子，这类衰变的速率应当与最初是反B0的粒子的衰变速率有所不同。其差别的大小将指出该系统中CP破缺的程度，但是预测的B0衰变的不对称性并不是产生由在K0衰变中所观察到的一千个中有一个的那种效果，而是变得相当大，以致一种衰变速率可能变得比另一种衰变速率大好几倍。

标准模型以外的其它模型常常含有另一些导致CP破缺的因素(有时涉及到额外的希格斯粒子)，通常这些模型提出的B0衰变不平衡程度可为任意值。因此，测量不对称性的模式将是对这些预测的一个明白无误的检验。

在底夸克被发现时，它的质量经测定大致为5千兆电子伏(GeV)，约为质子质量的5倍。因此，理论家们计算出，为了产生两个B介子，需要稍多于10GcV的能量(这是因为加入的下夸克或反下夸克是非常轻的)。八十年代初期，在康奈尔大学，一台电子一正电子对撞机——把电子和正电子加速后使之迎头相撞的加速器——的操作人员把它调节到使电子一正电子对在湮灭时将释放出10.58GeV的能量。正如预测的那样，这一能量脉冲优先转化为B介子，从而成为这种粒子的一个非常丰富的来源。每四次湮灭中就有一次产生B粒子及其反粒子，完全役有留下其它任何粒子。

1983年，在斯坦福直线加速器中心，实验科学家们发现了一个对B介子来说是寿命长得出人意料的约1.5皮秒(1皮秒为10-12秒)。这一较长的寿命增大了B0粒子在衰变前转变成反B0粒子的机会，从而使导致CP破缺的非对称性容易被观测到。此外，1987年，德国汉堡电子同步加速器实验室(DESY)的实验科学家们测得这一混合概率为16%，这样就使得B0的非对称性很有可能远远大于K0的非对称性然而．出现这样大的非对称性的B介子衰变是比较罕见的。因此，为了对CP破缺进行真正的研究，需要大量B介子。

1988年，科罗拉多州斯诺马斯市的一次讨论会上，希格斯粒子成了人们感兴趣的主要议题，一组与会者也探讨了CP破缺。该小组认定，研究B介子的一条较为有利的途径是使用一台调节到10.58GeV的电子-正电子对撞机，它的电子束具有不同的能量。这一相当不寻常的性能将有助于测量B介子的寿命。实验科学家们根据探测其中的粒子径迹辨认出B介子的诞生点和衰变点。把这两个点之间的距离除以计算出的B介子速度，就得出了它的寿命。但是通常的电子-正电子对撞机在10.58GeV上产生了两个近乎静止的B介子。这样它们运动过的距离很难测出来。

劳伦斯伯克利国家实验室的Pier Oddone曾指出，如果电子和正电子的能量不同，那么它们产生的B介子的运动速度就较快。一台有两个独立的环的加速器适合承担这一任务，这两个环使电子和正电子获得不同的能量。每个环都必须产生非常强烈的粒子束，以获得很高的碰撞率。

若干实验室的研究小组正在研究每年能产生3千万对B介子的设计方案。1993年，美国能源部和日本文部省批准了两项建设方案，一个是在加利福尼亚州的斯坦福直线加速器，另一个则是日本筑波的高能加速器研究机构（KEK）。

物理学家和工程师们正在忙于准备一项大规模的实验，它将能够辨认出B粒子的罕见衰变并测量其位置，测量精度在要求的80微米以内。这一精度是通过应用硅微技术实现的，此项技术曾有助于发现顶夸克。实验科学家们的目标是鉴定出从B介子的衰变中产生的几乎每一个粒子，以便分离出有助于阐明电荷宇称问题的罕见事件。

目前正在为斯坦福直线加速器中心建造的BABAR探测器中，硅微带将构成它的最内一层，形成一个大约直径30厘米、长60厘米的圆柱体。外层将测量产生出的每个粒子的能量、速度和穿透力，据此物理学家们能够重构出原始事件。

其他类型的电荷宇称破缺——其可预测程度比量子力学混合要差——也应当出现在B衰变中。现在正在对康奈尔大学的对撞机和探测器进行改造以搜寻这类效应。还有一系列关于B介子物理学的试验计划在世界各地的质子加速器上进行。两种类型的对撞机都将为CP破缺提供关键而互补的证据。

B介子可能会明白无误的告诉研究人员，标准模型的观念是站得住脚的，从而有助于确定这一模型的其他参数。另一方面，B介子也可能会证明，无论怎样选择参数，标准模型的预言都无法同实验数据吻合。事实上实验结果可能会排除标准模型之外的整套模型，因而有助于理论家们锁定一个后继模型。如果一切顺利，我们甚至可能会认识到为什么我们的世界完全由物质构成。

 【邓和平 译 胡天其 校】