2019 年3 月，歐洲核子研究中心(CERN)的物理學家宣布,，他們在粲夸克系統(tǒng)中也找到物質(zhì)和反物質(zhì)不完全對稱的證據(jù),。“物質(zhì)和反物質(zhì)”,、“對稱與不對稱”,，這究竟是怎么一回事呢？讓我們從頭說起,。

1900 年,，物理學家開爾文男爵在英國皇家學會上發(fā)表演講，他在展望20 世紀物理學前景時,，敏銳的指出了當時物理學的兩個最重要的問題,，并形象的把這兩個問題比喻為物理學天空上的兩朵烏云。后來,，對于這兩朵“烏云”的研究,，終于釀成了一場顛覆傳統(tǒng)物理學大風暴，并由此分別建立了20世紀物理學領(lǐng)域最偉大的兩個分支：相對論和量子理論,。相對論描述了一種全新的時空觀,，而描述那些如原子一般非常小的尺度的世界的規(guī)律的理論則是量子理論,。

1928 年，年輕的英國物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)寫下了電子量子理論的方程式,，這個方程成功的描述了電子在微觀世界的行為,，并不帶矛盾地同時遵守了狹義相對論與量子力學兩者的原理。然而這個方程有一個奇怪的屬性：它有兩個解,，其中的一個解對應了電子的運動,。而另一個解，則明顯在描述一種帶有負能量的粒子,。當時的人們認為,，狄拉克方程的第二個解實際上是在描述一種普通的帶有正能量的電子的反粒子，也就是所謂的正電子,。

圖1 安德森觀測到的正電子在云室中留下的軌跡的照片,。正電子從下往上運動，在磁場中穿過一層薄薄的鉛板之后,，改變了軌跡彎曲的曲率,。軌跡彎曲的方向表明，正電子與正常電子所帶的電荷相反

四年之后的1932 年,，美國物理學家卡爾·安德森(Carl Anderson)在實驗中利用云室第一次觀測到了正電子的軌跡,。也正是此發(fā)現(xiàn)，使得人類第一次揭開了反物質(zhì)的面紗,。反粒子是相對于正常的粒子而言的,，它們的質(zhì)量、壽命等都與正常的粒子相同,，但是所有的內(nèi)部相加性量子數(shù),，比如電荷等，卻都與正常粒子大小相同,、符號相反,。除了與正粒子相對的反粒子之外，還有一些所有內(nèi)部相加性量子數(shù)都為0 的純中性粒子,，這種粒子反粒子就是它本身,，比如光子。而自從正電子被發(fā)現(xiàn)以后,，人類就沒有停下過探索反物質(zhì)的腳步,。

與狄拉克和安德森同一個時代，天文學家們正在尋求用另一種方式來理解我們的宇宙,。在20世紀20 年代,，美國的天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)通過對星空的觀測發(fā)現(xiàn)，遠處的星系的光譜出現(xiàn)了波長增加、頻率降低的現(xiàn)象,。由于這種現(xiàn)象在可見光波段,，表現(xiàn)為光譜的譜線朝紅色的一端移動了一段距離，因而被人們稱之為紅移,。光的紅移是由多普勒效應引起的,。就像當警車經(jīng)過時，多普勒效應會導致警車警笛聲改變音高,。當警車向觀察者移動時,，聲音的波長會被壓縮，但是當警車離開時波長則會被拉長,，光的波長也會因與觀察者之間的相對運動而變化,。哈勃發(fā)現(xiàn)，從地球到達這些遠處的星系的距離正比于這些星系的紅移,，由于出現(xiàn)了光的紅移現(xiàn)象,，說明宇宙中星系間的距離正在不斷的成比例增大，進而我們可以推斷在遙遠的過去,，宇宙中星系間的距離曾經(jīng)很近,。物理學家進一步大膽推測，在其誕生之初,，宇宙曾經(jīng)處于一個極高溫度極高密度的狀態(tài),，這就是宇宙大爆炸理論的雛形。

根據(jù)宇宙大爆炸的理論,，我們的宇宙開始于一個密度和溫度都無限高，均勻并且各向同性的純能量狀態(tài),，這個狀態(tài)被稱為奇點,。在如今大多數(shù)常見的宇宙大爆炸的模型中，早期的宇宙曾經(jīng)歷了一次暴脹的過程,，在這個暴脹的過程中,，基本粒子被創(chuàng)造了出來，純能量轉(zhuǎn)化成了大量高速運動的粒子－反粒子對,，而粒子-反粒子對在此期間也通過碰撞不斷地創(chuàng)生和湮滅,，因此宇宙中此時的粒子和反粒子的數(shù)量相等。這時的宇宙就像是一鍋充滿了夸克和膠子以及其他基本粒子的湯,。此時某一種機制導致了夸克和反夸克的數(shù)量出現(xiàn)了細微的差異,，隨著宇宙進一步的膨脹和冷卻，夸克和膠子逐漸組成了像是質(zhì)子和中子這樣的粒子,。由于此時宇宙的溫度已經(jīng)降低到不足以產(chǎn)生新的質(zhì)子-反質(zhì)子對或中子－反中子對,，原先產(chǎn)生的正反粒子對大量的湮滅，只有大約占原先數(shù)量十億分之一的正物質(zhì)質(zhì)子和中子被留了下來，而對應的反物質(zhì)粒子則全部湮滅殆盡,。電子和正電子稍后經(jīng)歷了類似的過程,，同樣，只有那細微差異下多出來的那部分電子被留了下來,。后來的宇宙經(jīng)過了漫長的演化,，合成了原子，誕生了恒星,，星系,，乃至生命。而這一切的一切,，都只不過是那十億分之一殘留的正物質(zhì),。

圖2 描述宇宙大爆炸及之后演化過程的藝術(shù)構(gòu)想圖。其中橫坐標表示宇宙演化的時間,，而對應的空間尺寸用相應的圓橫截面表示

然而,，究竟是什么導致了正粒子和反粒子之間最初的那細微的差異？對此,，人類從未停止過探索,。而這探索，要從人類對于對稱性的探索開始講起,。

20 世紀50 年代之前,，人類從未懷疑過物理學中“對稱性”這一簡樸而又古老的觀念。向左旋轉(zhuǎn)的小球和向右旋轉(zhuǎn)的小球遵循著相同的物理規(guī)律,，帶有正電荷的物體和帶有負電荷的物體同樣遵循著相同的物理規(guī)律,，甚至，如果讓時間倒流,，運動的物體依然會遵循和我們真實世界相同的物理規(guī)律,。近代的物理學家則進一步證明了各種對稱性和各種物理守恒定律之間的關(guān)系。

然而在1956 年,，為了解釋為何兩種質(zhì)量和壽命相同,，看起來像是同一種的粒子的θ 粒子和τ 粒子(后來被證實其實就是同一種粒子，現(xiàn)在叫做K 介子),，卻有著不同的宇稱量子數(shù)和不同的衰變產(chǎn)物,，李政道和楊振寧提出，在弱相互作用(自然界中的四種基本相互作用力之一)中,，微觀的粒子的行為可能不存在宇稱量子數(shù)的守恒,。宇稱的守恒對應的對稱性是“左”和“右”的對稱，李政道和楊振寧的推測也就是說在微觀世界中,，“左”和“右”的物理規(guī)律并不完全相等同,。

這個推測在當時的年代頗具震撼力,，打破了被千百年來人類視為金科玉律的觀念。第二年,，華裔科學家吳健雄女士等科學家在對鈷60(⁶⁰Co)衰變的觀測中證實了這項推測,，她利用兩套裝置中互為鏡像的鈷60 設(shè)計了一個實驗，一套裝置中的鈷60 原子核自旋方向轉(zhuǎn)向左旋,，另一套裝置中的鈷60 原子核自旋方向轉(zhuǎn)向右旋,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在極低溫的情況下兩套裝置中放射出來的電子數(shù)有很大差異，進而證實了李政道和楊振寧的假說,。同年,，李政道和楊振寧因為這一項劃時代的假說，獲得了當年的諾貝爾物理學獎,。

巧合的是,，幾乎同一時期，荷蘭的畫家埃舍爾(M. C. Escher),，也在熱衷于用藝術(shù)表達對于對稱性的理解,。在埃舍爾的作品《白天與黑夜》中，畫面的左右?guī)缀醴瓷珜ΨQ,，然而細節(jié)卻有微小的差異,，這似乎和粒子物理學中“左”“右”的對稱性及其破缺不謀而合。

在弱相互作用下的宇稱的對稱性破缺被發(fā)現(xiàn)后不久,，物理學家發(fā)現(xiàn)在弱相互作用下,，電荷共軛的對稱性也是破缺的。此時,，列夫·朗道(Lev Landau)以及李政道和楊振寧認為,，電荷－宇稱(CP)兩個量子數(shù)的聯(lián)合，應該保持著良好的對稱性,。電荷－宇稱對稱性的守恒可以使得粒子和反粒子遵循著相同的物理規(guī)律,。

在20 世紀50 年代，科學家們在對于K介子等粒子的研究中發(fā)現(xiàn)了很多奇異的現(xiàn)象,，因而K介子等

圖3 李政道（右）與楊振寧（左）

圖4 吳健雄女士

圖5 埃舍爾作品《白天與黑夜》，畫面中隱喻的信息和李政道與楊振寧的宇稱不守恒離理論不謀而合

圖6 利用埃舍爾的作品來理解宇稱共軛與電荷共軛,。宇稱共軛導致圖像左右翻轉(zhuǎn),，而電荷共軛則使圖像黑白顛倒，二者共同作用時,，圖像與原始圖像類似

粒子所帶有的夸克也被命名為“奇異夸克”,。在1964年，科學家們在奇異夸克的介子衰變中,，發(fā)現(xiàn)了另一個更加“奇異”更加難以讓人接受的事實：電荷－宇稱聯(lián)合的對稱性似乎也不守恒,。在電中性K介子的衰變中,，詹姆斯·克羅寧(Jim Cronin)和瓦爾·菲奇(Val Fitch)發(fā)現(xiàn)，本應衰變成三個π介子的長壽命K介子,，卻有一些衰變成了兩個π介子,。這種衰變模式是電荷－宇稱對稱性的守恒所不允許的?？肆_寧和菲奇的研究結(jié)果給理論界帶來了巨大的沖擊,，也為他們帶來了1980年的諾貝爾物理學獎。

為了解釋電荷－宇稱對稱性的破缺,，1973 年,，在意大利物理學家尼古拉·卡比博(Nicola Cabibbo)的研究的基礎(chǔ)上，日本科學家小林誠和益川敏英建立了卡比博－小林－益川矩陣,，給出了電荷－宇稱對稱性的破缺存在的必要條件,，并在當時只發(fā)現(xiàn)了三個夸克的情況下預言了六個夸克的存在。1974年,，伯頓·里克特(Burton Richter)和丁肇中的團隊分別同時發(fā)現(xiàn)了第四種夸克——粲夸克,，并因此獲得了兩年后的諾貝爾物理學獎。之后,，底夸克與頂夸克分別于1977 年和1995 年在加速器中被發(fā)現(xiàn),。至此，夸克的六種“味道”被全部發(fā)現(xiàn),。六種夸克,，以及輕子和相互作用的傳播媒介一起，組成了如今粒子物理學的標準模型,。

圖7 粒子物理的標準模型

電荷－宇稱對稱性破缺的發(fā)現(xiàn)為解釋宇宙中為何只有正物質(zhì)殘留了下來這一粒子物理學和宇宙學的核心問題開拓了一條大道,。為了更準確的研究這一問題，人類搭建了一些偉大的實驗,。從20世紀末開始,，位于美國斯坦福直線加速器中心(SLAC)的BaBar 實驗，和位于日本筑波高能加速器研究機構(gòu)(KEK)的Belle 實驗成為了研究電荷－宇稱對稱性破缺的主力,。這兩個探測器實驗因為研究目標都是與含有底夸克的B 介子相關(guān)的物理問題,，并且運行于有利于B 介子產(chǎn)生的能量區(qū)間，因而被人們稱之為B 介子工廠,。BaBar 實驗和Belle實驗在2001 年分別發(fā)現(xiàn)了B介子的電荷－宇稱對稱性的破缺現(xiàn)象,，并為小林誠和益川敏英帶來了2008年的諾貝爾物理學獎。

2009 年,，人類有史以來建設(shè)的最大的科學裝置,，位于歐洲核子研究中心的，橫跨瑞士法國邊界,，周長27 千米的大型強子對撞機(LHC)正式開始取數(shù)運行,。在LHC上,，有一個專門研究含有粲夸克和底夸克的粒子以及電荷－宇稱對稱性的破缺的實驗——LHCb 實驗。在過去的10 年里,，LHC 以及LHCb 經(jīng)歷了兩個階段的數(shù)據(jù)獲取過程,，并積累了空前大量的粲介子衰變數(shù)據(jù)。2019 年3 月21 日,，LHCb 實驗合作組宣布,，他們在有著數(shù)千萬個中性粲介子衰變的樣本中找到了粲夸克系統(tǒng)的電荷－宇稱對稱性破缺的證據(jù)。至此,，標準模型中所有可以觀測到電荷－宇稱對稱性破缺的夸克系統(tǒng)中都觀測到的相應的證據(jù),，卡比博－小林－益川機制得到了進一步的證實。

圖8 LHCb實驗探測器

3 月21 日的發(fā)現(xiàn)為利用粲夸克研究電荷－宇稱對稱性破缺打開了一扇門,，然而,，這只是開始的結(jié)束，科學探索永遠是一個進行時,，擺在物理學家面前的未知還有很多很多,。粲夸克系統(tǒng)電荷－宇稱對稱性破缺的程度是否與標準模型預期相一致？宇宙中正反物質(zhì)的不對稱是否還有其他根源,？電荷－宇稱－時間(CPT)三者的聯(lián)合是否才具有完美的對稱性,？這一切仍然都是留給物理學家們的待探索的謎題。

在LHCb實驗宣布發(fā)現(xiàn)粲夸克系統(tǒng)的電荷－宇稱對稱性破缺的四天之后,，2019 年3 月25 日,，日本的Belle 實驗經(jīng)過了將近十年的停機升級調(diào)試，終于以一個全新的姿態(tài)回到了粒子物理研究數(shù)據(jù)獲取的第一線,。全新的Belle-II 實驗經(jīng)過了升級,，數(shù)據(jù)獲取能力提升了50 倍，并在3 月25 日完成了升級之后的第一次物理對撞數(shù)據(jù)的獲取,。

圖9 Belle-II實驗探測器的3D截面圖

而LHCb 實驗的探測器則于2018 年年底開始了一次為期兩年半的升級過程,。新的LHCb探測器將在2021 年重新加入與Belle-II 實驗的競爭中來。未來的許多年,，LHCb 實驗與Belle-II 實驗將在電荷－宇稱對稱性的破缺的探索道路上繼續(xù)砥礪前行,，共同探索更多關(guān)于反物質(zhì)的謎題。