记者从中国科学院高能物理研究所据悉，依托该所北京正负电子对撞机上北京谱仪(BES)III实验，由全球约500名科研人员组成的BESIII合作组实现了一种创新实验方法，为研究物质和反物质不对称提供了极其灵敏的探针。北京时间2022年6月2日，《自然》杂志正式刊发了相关研究结果。
正反科西超子级联衰变演示图：如果物质和反物质遵循相同的物理法则，科西 超子与反科西超子的衰变应该是镜像对称的，只是空间坐标是相反的。镜像之间纽带 连接表示正反超子的量子关联。
有助理解“反物质消失之谜”
超子是一类在质量超过核子的重子，在自然界并不存在，科学家在早期宇宙线的实验中发现了这类仅能短暂存在不足1纳秒的不稳定粒子。此后，人们在地球上使用粒子对撞机，大量制造出了超子。
“反物质消失之谜，是人类追寻宇宙物质起源历程中，迄今未能解决的难题。”中科院院士、中科院高能所所长王贻芳解释，在宇宙诞生之初，正反物质是成对均衡产生的，如今我们见到的都是正物质，那么原初反物质去哪里了呢？1956年，杨振宁、李政道发现了粒子弱作用宇称不守恒（即P破缺），此后粒子物理学家相继在K介子、B介子和D介子系统中发现正反粒子不对称行为，即CP破坏现象，这些发现都与粒子物理标准模型的预言一致。
人们不禁要问，CP破缺是否也在超子中存在？科学家也想知道。然而，精确测量超子和反超子衰变的不对称性，却被一个难题所阻挡——物理学家一直没有找到实验办法，能够同时测量正反超子的衰变不对称参数。
这个难题在BESIII实验上，得到了解决。
超高灵敏度，突破正反超子测量困境
BESIII探测器是我国自主研发的大型高能实验装置，是研究物质粒子强和弱相互作用和物质起源的国之重器。它吸引了来自17个国家的80家科研机构约500个科研人员共同参与研究，是目前国内正在运行的最大国际合作组。自2008年运行取数以来，合作组已产出论文400多篇。
北京谱仪 III 探测器
BESIII实验合作组发言人、中科院高能所研究员李海波介绍，BESIII实验的超子产额虽然仅为美国费米实验室HyperCP实验的千分之一， 但实验灵敏度要优于HyperCP实验——BESIII单事例的敏感度是HyperCP的一千倍，“这得益于BESIII实验上正反科西超子的自旋极化和量子纠缠”。
更重要的是，BESIII实验最近首次利用处于量子纠缠的正反科西超子对的级联衰变，成功地把导致正反物质不对称的弱作用力从强作用力中分离出来，这一创新研究解决了30年来不能同时对超子和其反粒子测量的困境，从而在超子物理方向上树起了一块里程碑。
仅用13%数据，测量精度有望再升三倍
此次BESIII实验所测量的科西超子，是一种双奇异超子，由两个奇异夸克和一个轻夸克组成。按照BESIII物理黄皮书的规划，BESIII实验圆满收集了约100亿J/ψ粒子。科研人员用了其中13%的数据量，研究了J/ψ粒子衰变到正-反科西超子的过程——在13亿J/ψ衰变事例中，完整干净地重建出约7万多个正-反科西超子对，本底污染率小于千分之一水平。
李海波介绍，从J/ψ衰变出来的正-反科西超子处于量子相干状态，他们利用这一独特的量子干涉效应，以及科西超子的级联衰变和自旋极化信息，实验以前所未有的精度测量了正反科西超子的不对称参数，并首次测量了超子衰变中弱相互作用和强相互作用相因子，给出三种CP不对称性最精确的测量结果。
“这些结果已经引起国际同行的关注，被2021年国际轻子光子大会邀请为大会专题报告，成为这一领域的新星。”王贻芳透露，BESIII合作组目前正在分析100亿J/ψ数据，测量精度将再提高三倍左右，“这将是对重子CP不对称最灵敏的测量，用于检验标准模型和可能的CP破坏新来源。”由于粒子标准模型预研的超子CP不对称的精度在万分之一量级，物理学家还将不断努力逼近，直至最终破解这一宇宙物质演化的重要谜团。
作者：许琦敏
图片：中科院高能所提供
