我們為何存在？

歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的底夸克探測器全景圖

3月24日，楊雪婷作為主要完成人受 邀登上第 59 屆國際電弱相互作用和統一理論會議（Moriond）講臺 　　

如果說人類的存在是一場宇宙奇跡，那么物理學就是解讀這場奇跡的語言。

我們賴以生存的世界——包括你我、山川河海、恒星行星——都是由“物質”構成的。組成原子核的質子、中子，以及核外電子，是最基本也是最常見的物質粒子。

在粒子物理的微觀世界中，每一種基本粒子都對應著一種“反物質對手”，我們稱之為反粒子。它們擁有相同的質量，但在電荷等性質上正好相反。例如，電子的反粒子是帶正電荷的正電子，質子的反粒子是帶負電荷的反質子。理論上，這些反粒子可以像正常物質一樣組成“反原子”，甚至構成完整的“反世界”。

按照大爆炸理論，宇宙誕生之初應同時產生了等量的物質與反物質。它們在所有屬性上像照鏡子一樣彼此對稱，卻會在相遇時湮滅，化為純粹的能量。那么問題來了：如果物質與反物質起初完全對稱，它們在相遇后又會彼此湮滅，為何今天的宇宙幾乎只剩下物質？曾與我們對稱存在的反物質，又去了哪里？

這個令人深思的難題，是現代物理學最基本也最深刻的問題之一，稱為宇宙正反物質不對稱。盡管目前仍未有最終答案，但是歐洲核子研究中心（ERN）的大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）取得的最新研究進展卻幫助我們向謎底邁進了一步。

對稱性破缺：自然的隱秘法則

想要理解這個謎題，需要從一個看似抽象但至關重要的概念說起——對稱性破缺。

對稱之美深藏于自然萬物之中：蝴蝶的雙翼、雪花的六角，乃至古代宮殿的中軸設計，無不展現出和諧統一的秩序。物理世界同樣遵循對稱的法則。試想一個鏡子中的宇宙：在那個世界里，萬有引力依舊成立，地球只是反向運轉，卻仍穩定地繞著太陽運行。這樣的對稱不僅賦予自然以美感，更構成了自然規律的基石。

在過去，科學家們相信這份對稱不僅存在于宏觀世界之中，在微觀的粒子層面也應同樣適用。但隨著實驗深入，人們驚訝地發現：在某些關鍵時刻，自然選擇打破這種對稱的和諧，轉而以一種不對稱的方式運行——這就是所謂的對稱性破缺。

“對稱性破缺”聽起來或許抽象，但其實我們每個人在日常生活中都體驗過它。比如，人類的雙手看似對稱，但大多數人是右撇子，剪刀、相機快門甚至門把手，許多工具都是專為右手設計的。這種現實生活中的“偏右”現象，就是左右對稱性破缺的體現。

在自然界眾多的對稱性中，有一種破缺尤其關鍵，那就是所謂的 CP 對稱性的破壞。根據蘇聯科學家薩哈羅夫的理論，CP 破壞是物質在宇宙中“戰勝”反物質的必要條件。換言之，正是這種深藏于微觀粒子行為中的對稱性破缺，讓宇宙偏向了“物質”一邊，才有了今天我們所處的這個充滿星辰和生命的世界。

CP破壞：粒子世界中的非對稱

CP 是“電荷共軛（Charge Conjuga?tion）”與“宇稱（Parity）”兩種對稱變換的組合。電荷共軛是將粒子替換為它的反粒子，宇稱則對應空間的鏡像翻轉。若一個物理過程滿足 CP 對稱性，那么它的“反粒子+空間反轉”版本也應當以完全相同的方式發生。CP 破壞意味著正反粒子行為之間存在差異。

科學界第一次發現CP對稱性被打破，是在1964年。當時，美國布魯克海文國家實驗室的物理學家在研究一種叫作K介子的粒子時，意外觀察到了它違反 CP 對稱性的衰變行為。這一結果震動了當時的物理學界，并在1980年獲得諾貝爾獎。幾十年來，研究者們陸續在不同種類的粒子中找到了CP破壞的蛛絲馬跡。

不過，迄今為止所有已知的 CP 破壞現象都來自介子體系。這類粒子由一對夸克和反夸克組成。雖然粒子與反粒子之間可能發生湮滅，但介子中的夸克與反夸克通常不是完全相同種類（不是“彼此”的反粒子），而且被強相互作用牢牢束縛在一起，形成一種短壽命但可研究的粒子狀態。介子結構簡單，是實驗室中研究對稱性破壞的理想對象。

而我們日常世界的基本構件——質子和中子——則屬于另一類粒子，叫作重子。它們由三個夸克緊密結合而成，結構更復雜，往往也更穩定。我們的身體、地球，乃至恒星，幾乎都由重子組成。

這讓人們不禁要問：既然重子才是現實世界的主角，它們是否也能表現出CP破壞？

重子之謎：CP破壞的新紀元

為了解開重子 CP 破壞之謎，科學家們將目光投向了位于歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC）。

（注：強子是一類由夸克組成的復合粒子，主要通過強相互作用結合在一起。介子和重子都屬于強子家族。） 作為人類迄今建造的最強大的粒子加速器，LHC能讓兩束質子以接近光速迎頭相撞，瞬間釋放出巨大的能量，產生包括各種壽命極短的不穩定粒子在內的“粒子煙花”。LHC上專門設計的 LHCb 實驗，正是捕捉這些稍縱即逝的粒子、并精確研究其性質（尤其是CP破壞）的前沿探測器。

LHCb實驗組匯聚了全球頂尖的粒子物理學家，來自北京大學的團隊便是其中一支重要的科研力量。近十年前，包括北大在內的LHCb中國團隊就將尋找重子體系中的CP破壞確立為核心物理目標之一，并為此進行了長期不懈的攻關。

在 LHCb 實驗的最新研究中，我們將目光聚焦于“底重子”的衰變上。底重子由三個夸克（一個上夸克、一個下夸克和一個底夸克）組成，結構上與構成我們世界的質子、中子相似，但質量更大、壽命極短（僅約萬億分之一秒）。在其短暫的生命中，它會通過豐富多樣的路徑衰變成更輕的粒子。正是這些衰變過程，為尋找物質與反物質行為間的細微差異——CP 破壞——提供了可能。

在北京大學張艷席老師的指導下，我自博士入學起就聚焦于此研究。我們篩選出特定的底重子衰變路徑，系統性地統計比較底重子與其反粒子（反底重子）通過該路徑衰變的頻率差異。復雜的數據分析、大量的交叉驗證，以及嚴謹的“揭盲”過程（即避免分析人員主觀偏差的關鍵步驟）確保了結果的科學嚴謹性。

研究的核心挑戰在于：如何精確比較底重子與其反粒子在相同衰變路徑上的衰變頻率差異？這就像在一場上億次的超級拋硬幣實驗中，試圖判斷硬幣是否極其輕微地偏向正面（或反面）。硬幣（用來比喻探測器信號）會掉進縫隙（探測效率損失）、會沾上油污（背景噪聲）、還有些正反面印刷不清（探測器無法準確分辨粒子類型）。最大的挑戰正是去除實驗設備本身的“偏見”。我們必須對復雜的探測系統進行極其精密的校準和效率修正，以排除這些非物理的系統偏差，避免它們掩蓋或扭曲真實的物理效應——底重子衰變中可能存在的CP破壞信號。

最終的實驗結果顯示：底重子與其反粒子在研究的衰變模式中，衰變率存在約2.5%的顯著差異（該結果的統計誤差小于0.5%，置信度極高）。這項研究成果最終被《自然》雜志接收。

這標志著人類歷史上首次在重子體系中直接觀測到CP破壞——是粒子物理領域的重要里程碑。其核心意義在于：我們終于在最構成我們自身和可見宇宙的基礎粒子——重子——上，確鑿無疑地捕捉到了物質與反物質行為的不對稱性。這不僅拓展了我們對自然界基本對稱性破缺現象的理解邊界，更是為最終解答“宇宙為何由物質主宰”這一根本性難題，邁出了堅實而關鍵的一步。

一粒底重子在萬億分之一秒中悄然衰變，它留下的不對稱痕跡，被人類捕捉、解碼，最終指向一個宏大的問題：我們為何存在？正是這種基本粒子層面的微弱不對稱性，在宇宙誕生之初的劇烈湮滅中，為物質留下了一線生機，經過百億年的演化，最終形成了星系、恒星、行星，以及能夠思考“我們為何存在”的生命。

答案或許仍遙遠。但就在這一刻，我們離它更近了一步。

（作者為北京大學物理學院2022級博士研究生）