粲介子在正反物质间“变身”首次捕捉到有助理解宇宙组成

2021-06-25 09:31:45 来源：科技日报

据美国趣味科学网站23日报道，英国牛津大学的科学家分析了大型强子对撞机(LHC)第二轮运行产生的数据，首次捕捉到粲介子从物质“变身”到反物质的过程，这一发现有助于理解现在的宇宙为何由物质而非反物质组成。

每个粒子都拥有一个与其质量、寿命和原子自旋相同但电荷相反的反粒子。光子等是自己的反粒子;而另一些粒子则由于量子叠加，可同时以正反物质的形式存在，粲介子正是由正反夸克组成的粒子。夸克是组成物质的最小粒子。

研究人员解释说，当粲介子(D0)与其反粒子(反D0)以叠加形式存在时，D0和反D0的波以各种方式重叠，形成另外两个同样处于叠加状态的物质粒子D1和D2。尽管D1和D2也由D0和反D0组成，但混合比例略有不同，从而使它们拥有不同的质量和寿命。因为这些粒子波的质量决定了其波长，也决定了它们如何相互作用，所以D1和D2之间的质量差异决定了粲介子在正反物质之间“变身”的速度。研究发现，这个质量差异仅为3.5×10-38克。

为进行如此精确的测量，研究人员观察了LHC内质子—质子对撞产生的3060万个粲介子，并比较了衰变之前移动最短距离和最长距离的粲介子之间的差异，据此算出了质量差异。

这是科学家第二次发现粒子在正反物质之间振荡。2006年，科学家首次观测到奇异底介子的“变身”行为，但在粲介子中发现这一点要困难得多，因为其更容易衰变。

标准模型显示，大爆炸产生了同样多的正反物质，而它们相遇会彼此湮灭，但为什么我们现在生活的宇宙几乎完全由物质组成呢?研究人员表示，能在正反物质之间“变身”的粒子或许是回答这一问题的关键。一些假说认为，如果粲介子等粒子从反物质转化为物质的频率比从物质转化为反物质的频率更高，可以使物质免于湮灭。

LHC将于今年9月重启，日本BelleⅡ实验也在开展类似研究，科学家们有望进一步发现相关线索。(记者刘霞)

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正反物质这对“怨侣”，谁多点谁少点的问题永远纠缠着我们。现在科学家已经知道，有些粒子实际上就是它们自己的反粒子，还有一些甚至是两种状态同时存在的混合物——源于叠加的量子特性。这意味着，它们实际上可以在物质和反物质之间摆动。现在，粲介子加入了这个“摆动俱乐部”，它也在这两种状态之间自动切换，虽然这未必就是最终答案，但可能是解开科学界最大谜团的一条重要线索。

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