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在重子系統中發現CP不守恆

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撰文者:陳勁豪 博士 (臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
發文日期:2017-02-01
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  • LHCb實驗宣佈,他們在b重子系統中首次測量到CP不守恆的現象。

    物理學家認為,在宇宙誕生之際,應該所謂的電荷對稱(charge symmetry)可會產生相等數量的物質與反物質。但是我們目前的宇宙只有物質存在,反物質基本上在自然界中並不會自然存在,只有透過高能粒子對撞時才會產生。造成目前宇宙物質數量遠大於反物質的其中一個原因是所謂的電荷-宇稱不守恆(CP violation)。
    所謂的電荷對稱(charge symmetry)可以把物質的電荷變成相反的電荷,宇稱對稱(parity symmetry)可以造成物理系統的鏡像。過去物理學家認為,所有的物質與反物質都是CP守恆,或是稱為CP對稱,也就是物理系統透過CP運算並不會產生任何影響。我們也可以說,CP對稱是物質與反物質間的對稱。

    後來物理學家發現,CP對稱在強交互作用與電磁作用中成立,但是在1964年的時候,物理學家在K介子系統中發現了CP不守恆的現象,證實CP在弱交互作用中會被破壞。之後物理學家又在B介子與D介子系統中看到了類似的現象。也就是說,在這三個系統中,物質與反物質有著微小的差異。

    在K, B, D三種介子系統中,這些都是由兩個夸克所形成的粒子。CP不守恆的現象從來沒有在由三個夸克所形成的系統中被發現。由三個夸克所形成的粒子被稱為重子(baryon),所有的質子跟中子都是重子家族的成員,各自由三個夸克所構成:質子是uud,中子是udd(u:上夸克,d:下夸克)。根據標準模型,重子應該也會出現CP不守恆的效應。
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    圖一(Paper:Measurement of matter–antimatter differences in beauty baryon decays, Nature Physics (2017)
     
    LHCb是大強子對撞機(LHC)上的四個大型實驗之一,主要是透過高能質子對撞所產生出的大量b夸克來研究各種由b夸克所形成的粒子。LHCb利用質心對撞能量為7TeV及8TeV的數據,仔細測量了λ
    b0,與其反粒子的對稱性。λb0是由一個底夸克,一個上夸克,一個下夸克所構成(bud)。LHCb發現兩者之間帶有些許差異,統計顯著性有3.3個標準差。這雖然離一般粒子物理宣稱新發現所需要的5個標準差還有些距離,但是這已經是朝向新發現的相當重要的一步。

    隨著LHC目前以13TeV的質心對撞能量運作,我們可以預期會有更大量的數據出現。究竟新的數據是否會證實這個結果,是否還有其他的重子系統也會出現CP不守恆的現象?重子與介子系統的CP不守恆又有何相異之處,這些都是相當令人期待的新結果。

    參考資料
    [1] Paper:Measurement of matter–antimatter differences in beauty baryon decays, Nature Physics (2017)
    [2]原始論文Measurement of matter–antimatter differences in beauty baryon decays
    The LHCb collaboration    
    Nature Physics (2017)
    doi:10.1038/nphys4021

    相關報導
    CERN 2017/01/30: New source of asymmetry between matter and antimatter
    http://home.cern/about/updates/2017/01/new-source-asymmetry-between-matter-and-antimatter
     
    Symmetry Magazine 2017/01/30:
    Sign of a long-sought asymmetry
    http://www.symmetrymagazine.org/article/sign-of-a-long-sought-asymmetry
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