物理学家在魅力粒子衰变中观察到物质-反物质的不对称性

2022-02-25 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:393 /
内容摘要:
欧洲核子研究中心大型强子对撞机美丽合作(LHCb)的物理学家首次观察到D0介子衰变中的物质-反物质不对称,称为电荷-宇称(CP)违规,D0介子是一种由魅力夸克和上行反夸克组成的亚原子粒子。LHCb磁铁。影像学分:CERN。CP这个术语指的是用反粒子的镜像交换粒子的变换。众所周知,......

欧洲核子研究中心大型强子对撞机美丽合作(LHCb)的物理学家首次观察到D0介子衰变中的物质-反物质不对称,称为电荷-宇称(CP)违规,D0介子是一种由魅力夸克和上行反夸克组成的亚原子粒子。

The LHCb magnet. Image credit: CERN.

LHCb磁铁。影像学分:CERN。

CP这个术语指的是用反粒子的镜像交换粒子的变换。

众所周知,粒子物理标准模型的弱相互作用会导致一些粒子和它们的CP对应物行为的差异,这种不对称被称为CP破坏。

这种不对称是解释为什么今天的宇宙只由物质粒子组成,基本上没有反物质残留的关键因素之一。

这种现象最早是在1964年,在一种叫做中性K介子的粒子衰变中观察到的,这种粒子含有一种奇怪的夸克,而做出这一发现的两位物理学家詹姆斯·克罗宁(James Cronin)和瓦尔·费奇(Val Fitch)于1980年被授予诺贝尔物理学奖。

这样的发现在当时是一个巨大的惊喜,因为粒子物理学家团体坚信CP对称性不能被破坏。

20世纪70年代初,小林真由和Maskawa Toshihide意识到CP违反可以自然地包含在标准模型中。他们的基本想法最终在30年后被证实,因为BaBar和Belle的合作发现了中性B介子衰变中的CP破坏,其中包含一个底夸克,这导致小林和马斯卡瓦获得了2008年诺贝尔物理学奖。

“曾经有许多测量物质-反物质不对称性的尝试,但是,直到现在,还没有人成功。这是反物质研究的一个里程碑,”锡拉丘兹大学的谢尔顿·斯通教授说,他是LHCb合作组织的成员。

A CP-symmetry transformation swaps a particle with the mirror image of its antiparticle. The LHCb Collaboration has observed a breakdown of this symmetry in the decays of the D0 meson (illustrated by the big sphere on the right) and its antimatter counterpart, the anti-D0 (big sphere on the left), into other particles (smaller spheres). The extent of the breakdown was deduced from the difference in the number of decays in each case (vertical bars, for illustration only). Image credit: CERN.

CP-对称变换将粒子与其反粒子的镜像交换。LHCb合作观察到这种对称性在D0介子(右边的大球体)和它的反物质对应物反D0(左边的大球体)衰变为其他粒子(更小的球体)时被打破。击穿的程度是从每种情况下衰变次数的差异中推导出来的(竖线,仅供说明)。影像学分:CERN。

为了观察D0介子中的CP不对称,物理学家们利用大型强子对撞机在2011年至2018年间为LHCb实验提供的完整数据集,寻找D0介子及其反粒子反D0衰变为kaons或pions。

“在我们前所未有的D0粒子样本中寻找这两种衰变产物,为我们提供了必要的灵敏度来测量这种衰变预期的微小变化,”LHCb合作的发言人乔瓦尼·帕萨列娃博士说。

“然后,测量违规的程度可以归结为计算D0和反D0衰减并计算差值。”

“在我们的世界里我们看不到反物质,所以我们不得不人工制造它。来自这些碰撞的数据使我们能够绘制出不稳定粒子衰变和转化为更多餐桌副产品的地图,”锡拉丘兹大学的伊万·波利亚科夫博士说,他是LHCb合作组织的成员。

该结果具有5.3个标准差的统计显著性,超过了粒子物理学家用来宣称发现的5个标准差的阈值。

“这项研究的独特之处在于,这是第一次有人目睹具有迷人夸克的粒子不对称。这是一本历史书,”斯通教授说。

“这个结果是粒子物理学史上的一个里程碑,”欧洲核子研究中心研究和计算主任埃克哈德·埃尔森博士说。

“自从40多年前发现D介子以来,粒子物理学家一直怀疑这个系统中也发生了CP破坏,但直到现在,基本上使用实验收集的全部数据样本,LHCb Collaboration才最终能够观察到这种效应。”

这些结果在本周的第54届莫里昂会议上,在欧洲核子研究中心的研讨会报告中,以及在将发表在《物理评论快报》杂志上的LHCb论文中被公布。

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R.Aaij等人(LHCb协作)。2019.魅力衰减中CP违反的观察。列特博士,出版中;CERN-EP-2019-042


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