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北京谱仪III开创探索正反物质不对称性的新方法
2022-06-02|文章来源:实验物理中心 |【
 

  北京谱仪III合作组实现了一种创新实验方法,为研究物质和反物质不对称性提供了极其灵敏的实验探针。相关研究成果于6月2日在《自然》杂志上正式刊发。

  科学家推测,在宇宙大爆炸之初产生了等量的正反物质,为什么我们的宇宙只有物质而没有找到反物质?这个问题困扰了科学界半个多世纪。物质和反物质遵循不同的衰变规律吗?粒子衰变为研究正反物质不对称性提供了重要线索:如果粒子和反粒子的衰变模式存在差异,那么这些差异可能是导致我们丰富的物质世界形成的原因。然而,由于粒子衰变通常是由多种相互作用诱导发生的,比如一种类似质子的短寿命粒子——科西超子,它的内部含有两个重的奇异夸克和一个轻夸克,带一个负电荷,其衰变过程中既发生弱相互作用也发生强相互作用,如何识别是哪种作用导致正反物质衰变行为不同呢? 北京谱仪III实验最近首次利用处于量子纠缠的正反科西超子对的级联衰变,成功地把导致正反物质不对称的弱作用力从强作用力中分离出来,这一创新方法和实验结果引起该领域世界同行的密切关注。

  在北京谱仪III实验中,电子与其反粒子——正电子碰撞产生的能量是其固有质量的上万倍。电子和正电子在碰撞中湮灭,并从释放的能量中产生其他粒子或粒子对。在这项新的研究中,科研人员利用正反科西超子的“自旋”信息和量子关联来揭示正反物质不对称性,即“CP破坏”。超子衰变是寻找CP破坏的一个很有希望的狩猎场,因为它们的“自旋”方向可以通过其“子粒子”的衰变直接测量。成对的正反超子级联衰变,可以把强相互作用力和弱相互作用力的贡献分开,显著提高CP破坏测量的敏感度。北京谱仪III实验这一创新方法为寻找 CP 破坏提供了一种全新的视角。

  尽管《自然》一文中给出的结果显示没有CP破坏的迹象,然而,这一创新方法为科学家未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。“这是理解正反物质不对称性的一个里程碑,我期待北京谱仪III合作组将取得更多成就。”中科院院士、高能物理研究所所长王贻芳说。“北京谱仪III实验的灵敏度远高于之前费米实验室的HyperCP实验,是HyperCP实验单事例灵敏度的1000倍,这得益于BESIII实验上正反科西超子的自旋极化和量子纠缠。”BESIII国际合作组发言人李海波研究员强调说。

  BESIII探测器是我国自主研发的大型高能实验装置,吸引了来自17个国家的80家科研机构约500个科研人员,BESIII国际合作组是目前国内正在运行的最大国际合作组,这一结果是由中国科学家和国外合作者共同完成的,是国际合作的典范。

  相关连接: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04624-1

  Nature 链接: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04624-1

  图一:北京谱仪III探测器侧面照

  图二:正反科西超子级联衰变演示图:如果物质和反物质遵循相同的物理法则,科西超子与反科西超子的衰变应该是镜像对称的,只是空间坐标是相反的。镜像之间纽带连接表示正反超子的量子关联。


 
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