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这个粒子或许拯救了我们的宇宙

世界上最大的原子对撞机——大型强子对撞机(LHC)的研究人员在尝试把物质变为反物质的过程中,捕捉到一种奇异的亚原子粒子。这一发现或许可以帮助我们了解宇宙如何从大爆炸诞生之后的瞬间免于彻底的湮灭。

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牛津大学的研究人员使用来自大型强子对撞机的第二次运行数据,发现了这种粲介子。这是一种同时包含夸克(即构成物质的基本单元)和反夸克的亚原子粒子,并且可以在物质和反物质的两种状态之间自动转换。

每个粒子都有自己的反物质等效物,它们质量相同、寿命和原子自旋也相同,唯独所带电荷相反。有些粒子,比如光子(光粒子),它们的反粒子就是自己;而另一些粒子,得益于所谓的“量子叠加”的奇异现象,可以同时以物质和反物质的形式存在。

粲介子属于最后一类。量子叠加,源自量子力学(或者说支配微观宇宙的奇怪规则)。量子叠加允许微观粒子同时以多种不同的状态存在,本质上是不同粒子的混合,直至有人去观测这些粒子并选择一种状态开始研究。它们不单是粒子,也具有波的属性,这些波在空间中任何给定位置的大小代表了在该位置发现粒子的概率。

当粲介子(称为“D0”)和其反粒子等效物(“反D0”)以叠加态存在时,D0的波和反D0的波以多种方式重叠,形成另外两种物质粒子:D1和D2。D1和D2也处于叠加态。尽管D1和D2由彼此相同的粒子(D0)和反粒子(反D0)成分组成,但它们的混合略有不同,因而具有不同的质量和寿命。

反之亦然;D1和D2也可以叠加产生D0或反D0,具体取决于它们相互叠加的方式。

论文的合著者、曼彻斯特大学的实验物理学家兼LHC发言人克里斯·帕克斯说:“你可以把D0想象成由D1和D2的混合物构成,或者D1由D0和反D0的混合物构成,这不过是看待同一现象的两种方式。”

这些粒子波的质量决定了它们的波长,进而也决定了它们互相干扰的方式,以及重一点的D1和轻一点的D2之间的质量差异。这种质量差异又决定了粲介子在其两种状态——物质(D0)和反物质(反D0)——之间转换的速度。

然后,这种质量差异非常非常小:只有0.00000000000000000000000000000000000000001千克。

为了在如此精确的层面上进行测量,研究人员观察了3060万个粲介子。粲介子产生于大型强子对撞机中两个质子撞击之后,仅传播几毫米就会迅速衰变成质量更轻的其他粒子。不过,粒子加速器内的超精密探测器可以帮助团队比较传播得最近和最远的粲介子。接着,研究人员可以利用传播距离的差异,计算出两种可能状态之间的质量差异。

这也是科学家第二次发现一个粒子以这种方式在物质和反物质状态之间振荡。第一次发现是在2006年,当时观察的是奇异-b介子。但是研究人员表示,观测粲介子中的这一现象要更加困难,因为粒子通常在转变之前就已经衰变了。

合著者之一、牛津大学的实验物理学家盖伊·威尔金森在一份声明中说:“发现粲介子粒子的振荡现象的独特之处在于,不像b介子,粲介子的振荡非常缓慢,因此粒子的振荡在粲介子快速衰变之前极难测量到。”

能够在物质和反物质之间转换的粒子十分重要,因为它们可能是解答科学界最大谜团之一的关键。这个谜团就是:宇宙为何存在。

根据标准模型,也就是描述构成宇宙的基本粒子的理论,宇宙大爆炸之初产生了等量的物质和反物质。但是,我们如今生活的宇宙几乎完全由物质构成。由于物质和反物质接触的那一瞬间会互相湮灭,宇宙在大爆炸中诞生的那一刻或不久之后,照理也会自我湮灭。那究竟是什么造成了物质与反物质之间的不平衡呢?

有些假设认为,诸如粲介子这样的粒子让我们的物质宇宙免于湮灭,尤其是当它们从反物质到物质的转换频率远远高于它们从物质到反物质的转换频率时。升级后的大型强子对撞机将在关闭三年多时间后于今年9月份重新启动,另外日本的Bell2实验也计划开展类似的介子研究。届时,研究人员或许可以发现一些新的线索。

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