你为何存在于宇宙?秘密就藏在香蕉和强子对撞机中

你为何存在于世界上?物质和反物质为何没有在宇宙诞生之初就湮灭?这些问题,或许能在一根香蕉和大型强子对撞机中找到答案。
物质和反物质在宇宙诞生之初应该就互相湮灭了。最新的大型强子对撞击试图找出为什么物质独自存活了下来。 [caption id="attachment_6123" align="aligncenter" width="1200"]img_1338 宇宙之初的一瞬(Image: Ian Hobson)[/caption] 如果有人告诉你,那根摆在你橱柜上、压扁在午餐袋里或藏在抽屉里的香蕉,就是宇宙最大的谜团,亟待有人揭开谜底,你一定觉得这是个奇怪的想法。 不管成熟的程度如何,香蕉都是由物质粒子组成的,就像你一样:它本质的物质性就是你能看到、感到并尝到它的原因。但你所看不到的是,香蕉每天都会重复某件事15次左右。哔哩一闪!它产生了一些其他的东西,一些几乎在一瞬间就消失了的东西。 这就是反物质。 [caption id="attachment_6125" align="aligncenter" width="1200"](Photography: Tatsuro Nishimura, Styling: Ali Nardi) (Photography: Tatsuro Nishimura, Styling: Ali Nardi)[/caption] 对反物质的预测以及随后的发现可以说是物理学的一项重大成就。它展现了一整个粒子的镜像世界,那些粒子与正常物质的粒子质量相等,但电荷相反。但似乎这是个事后才产生的说法。在我们的周围,反物质粒子只会在大气层的高能量宇宙射线相互作用、或放射性衰变的情况下产生——例如每根香蕉里含有的非常微量的放射性钾-40元素。 不管何时,反物质和物质一旦相遇就会「湮灭」彼此,以光的形式释放出能量,在某种意义上来说,这并不怎么让人吃惊。在我们这个物质掌控的世界里,反物质完全没有存在的机会。但对研究物质世界基本性质的物理学家来说,物质与反物质的不平衡实在令人不安。根据最新理论,宇宙大爆炸时创造了完全等量的物质和反物质。如果说物质和反物质会互相湮灭,那么宇宙应该什么都不剩下,除了一片光之海。 但宇宙并不是这样。宇宙诞生之初的一些波动使部分物质留了下来——还造就了从香蕉到黑洞、海马和恒星的世间万物。这并不需要很多物质:计算表明只要十亿分之一的小小区别就足够了。利物浦大学的物理学家Tara Shears说道:「就是那十亿分之一的物质形成了我们现在所在的宇宙。」但这一切是怎么发生的? 在法国-瑞士边界的日内瓦国际机场,很难注意到几公里之外的地下岩洞里,有着对这个深层问题的探索。飞机起起落落,时常经过Shears正在进行的实验(LHCb)控制室所处的那栋大楼。这是CERN(欧洲原子核研究委员会)的大型强子对撞机的探测器——价值100亿美元的粒子对撞机就埋在日内瓦机场外围的地下——它并没有它的两个兄弟,ATLAS和CMS,那么出名。2012年,它们因合作发现了难以捉摸的希格斯玻色子而闻名于世,希格斯玻色子给出了基本粒子的物质质量,是物质质量之源。 [caption id="attachment_6128" align="aligncenter" width="1200"]LHCb对撞创造了粒子和反粒子的碎片(图:CERN) LHCb对撞创造了粒子和反粒子的碎片(图:CERN)[/caption] 但LHCb追求一个甚至更加根本的成就。 字母b代表着beauty,美丽——这里可不是指你从美发沙龙出来后的美丽,而是指夸克里的美夸克。夸克是在光子中发现的基本粒子,是利用LHC将光子轰击成碎片时发现的。夸克有6种,它们行踪诡异,从而未被单独发现过,而总是组成更大的粒子团,比如2个、3个或更多。例如,光子是由3个最轻的——2个上夸克,1个下夸克组成的。 现在,美夸克有一个更加平凡的名字——底夸克,有时也单用字母b来代替。它的质量远远大于上夸克和下夸克,但是,正如爱因斯坦的质能方程E=mc^2所预言的那样,含有更多大质量夸克的粒子可以从LHC质子对撞所释放出来的能量中产生。其中一个例子是一种叫做B介子的粒子,它包含一个底夸克或一个反底夸克,以及另一种夸克。 B介子中也许藏着物质何以战胜反物质的关键信息。为了理解原因,我们必须把时间往回拨50年,回到20世纪60年代,那时候人们发现了一种奇怪的现象,叫做电荷宇称不守恒,也叫CP破坏。1980年,詹姆斯·克罗宁(James Cronin)和瓦尔·菲奇(Val Fitch)发现,在某些特定的情况下,反物质衰变的速率与正物质不相同,两人因此获得了1980年的诺贝尔物理学奖。 他们的研究成果,有可能恰恰解释了为何宇宙中充满物质,却找不到反物质。但不幸的是,他们发现的效应太微弱,连10亿分之1的不平衡都无法解释。后续的研究,比如位于加州的美国SLAC国家加速器实验室的Babar项目和日本KEK实验室的Belle项目都发现,包含底夸克的粒子衰变时也会发生CP破坏,并且,这种情况下的不均衡更大(如图所示)。 Shears说:「在我们所研究的所有基本粒子中,底夸克与反底夸克的行为差异是最大的。我们不知道原因,但是这意味着我们可以进行更精确的测量。」 1 然而,即便如此,对整个宇宙来说,已知粒子的衰变只能解释CP破坏的万亿分之一。与此同时,希格斯玻色子的发现,让这个谜团变得更加扑朔迷离。令人感到沉闷的是,它的质量为125GeV,加上观测到的衰变率,与粒子物理学标准模型的预测符合得很好——粒子物理学标准模型是物理学家们经过几十年的辛苦工作建立起来的一个理论模型。如果它与标准模型的预测相悖,也许能将我们引向一种未知的粒子,或许能提供CP破坏的另一个来源。 但是幸运女神并未眷顾。哈佛大学的理论物理学家马特·斯特拉瑟(Matt Strassler)说:「我们等式中的已知CP破坏还远远不够。现在,我们对希格斯玻色子了解得更多了,它不足以解释现今宇宙中物质与反物质的不对称现象。人们在想,会不会是这个等式有问题?或者标准模型有问题?或者是有别的什么问题。」 出乎人们的意料之外,这让关注的焦点重新回到了B介子。「美夸克工厂」Babar和Belle用数十亿电子伏特的能量让电子与它的反粒子——正电子相撞。这个能量足够产生少量最轻的B介子。但是,如果我们想探知物质战胜反物质的终极原因,就必须重建一个能量更高的环境——宇宙原始浓汤。 [caption id="attachment_6126" align="aligncenter" width="1200"]LHCb的大型探测器正在窥伺微小的粒子不平衡。(Image: David Stock) LHCb的大型探测器正在窥伺微小的粒子不平衡。(Image: David Stock)[/caption] 项目关闭两年后,如今人们预期LHC可以利用质子对撞产生13万亿电子伏特的能量,这么高的产能前所未闻,能带领我们更快实现目标。这项结果可能会在实验和标准模型的预测之间制造分歧。纽约州雪城大学的LHCb物理学家Sheldon Stone说:「能量增长会提高B粒子的产量,让我们在之前还没有探测到的领域上对CP破坏进行更多敏感性研究。」 LHCb就是量身定制的解决方案。它就像大池塘里面的小鱼——或者更贴切地说,由于LHC具有27公里的环形结构,它就像在一个护城河里面。ATLAS和CMS每一个都需要7倍花销去建造,3倍的研究力量去研究。但是和那些为了观测各种粒子在LHC碰撞中的能量反应而建的探测器不同的是,LHCb更挑剔。ATLAS和CMS都是圆柱形的,这样可以将里面的质子完全环绕住,但是和LHCb的探测器却是圆锥形或者楔形,这样可以在尖端引发碰撞。 这样的设计使得实验对于希格斯玻色子的探测更不敏感,希格斯玻色子很容易出现在LCHb检测范围外的高角度。但是归根到底它只是用来测量B介子的一个东西,而B介子在势能作用下沿着质子光束的轨迹中很容易产生。Strassler说:「对于一些测量需求,LCHb就是最好的选择。」 控制住B介子绝非易事,它们在以光速前进的过程中不断产生,仅存在10^12秒后就会衰变。这个过程不算长,但是相比于其他的粒子来说简直比永恒还长。比如那些含有更重的顶夸克的粒子10^20秒就衰变得无影无踪。关键是,这意味着B介子会在LCHb探测器中会留下几厘米长的痕迹,对分析团队来说已经足够长,可以开始处理它们了。Stone说:「这就是我们要做的,这就是我们赖以生存的本事。」 在LHC关闭前的一些实验数据被发表在意大利拉蒂勒的学术会议上。这些数据告诉了我们一些很有意思的事情,比如它们从B介子衰变为K介子和2个μ介子(电子的重量级版本)的过程中,发现了偏离标准模型预测的早期迹象。但这些信号尚不足以确认是否有未知的物理因素可以用来解释这种异常或者导致这种异常。沿着这个线索研究下去将会是LCH重新开张后LCHb的物理学家们的头等大事。 还有一个关注点是含有美夸克的另一种不同粒子的衰变,称为奇B介子。B反夸克和这种奇怪的夸克结合可用难以置信的速度变身反粒子,所以研究是否有逆合成过程的存在也是研究CP破坏的一个办法。加之每十亿中有三次,它会衰变成介子和反介子。虽然这种衰变并不常见,但是在它的终结状态很容易被看到,因为介子在探测器中留下直达最外层的痕迹。Shears说,这在新物理学中被称为「黄金隧道」。 我们的兴趣不仅在于CP破坏,还希望找出符合理论预测现象的蛛丝马迹,比如超对称。SUSY提出了大量奇异粒子的存在,这或许能解释大量标准模型无法解释的现象,比如基本力为何有着迥异的强度,比如似乎充满宇宙空间的神秘暗物质到底本质为何。但是,如果这些粒子真的存在,它们的质量应该会特别庞大,导致LHC或其他粒子对撞机至今无法产生它们。 罕见的B介子衰变很容易受到不可见的大质量粒子的干扰,这或许能给LHCb实验提供一条不需直接探测就能证明粒子存在的捷径。LHCb合作组组长、牛津大学的盖尔·威尔金森(Guy Wilkinson)认为,任何与理论预测的B介子衰变率存在的偏差都可能意味着,一些隐藏的粒子正在以幽灵般的方式参与进来。 虽然奇怪的B介子衰变怪异罕见,以至于迄今为止也没有多少成功观测的案例,但是LHCb和CMS都在2013年成功观测到这一现象。在改造后的LHC进行更多观测,或可使情况变得大不相同。「如果你能确定,一些特定的超对称确实是宇宙的自然规律,那么这种粒子的行为就能得以修正,它就能更加频繁或者更加稀少地产生介子和反介子,」Shears说,「这为未来的研究指出了一条非常精确的路径。」 不过,这种特别的衰变对于解释物质和反物质的迥异性质尚无任何帮助。Shears说:「不幸的是,衰变现象跟我们的预测完全相符。」 听到实验物理学家们抱怨理论和实验的相符程度,这听起来有点滑稽,不过这个争议一直都存在。他在评论迄今为止关于B介子的所有奇怪发现时说:「这没什么大不了」,不过他停了停又纠正自己说,「结果当然很重要,不过不幸的是它还是证明了标准模型的正确性。那才是问题所在。」 只要现存的问题还没有答案,只要宇宙诞生之初的原动力从何而来仍未得到解答,人们对新事物的渴望都将持续下去。 可能——这只是猜测——在LHCb重新启动的同时,它注定成为找出新答案、发现新事物的途中必经的失败实验。Shears说:「这是第一次,我们正步向这样一个宇宙:我们真正需要找出的,我们真正期待看到的,其实是那些意料之外的事情。」 此外,如果我们在不久后能找到对身边所有物质的有力解释——哇,那真的有理由发疯了。   选自新科学家,机器之心翻译出品。参与人员:柒柒,汪汪,Gabrielle,Joyce,Cc Emily。
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