“粲介子”可以拯救宇宙？它可以同时以物质和反物质的形式存在

在世界上最大的原子粉碎机工作的科学家们在从物质变为反物质的过程中捕捉到了一种奇异的亚原子粒子。

这一发现可以帮助我们了解宇宙是如何在爆炸后不久就从完全毁灭中拯救出来的。

利用大型强子对撞机（LHC）第二次运行的数据，牛津大学的研究人员发现了粲介子——一种包含夸克物质和反物质版本的微小粒子，夸克是物质的基本组成部分——在两种状态之间来回转换。

每个粒子都有一个反粒子对应物，具有相同的质量、寿命和原子自旋，但电荷相反。

一些粒子，例如光子（光粒子）是它们自己的反粒子，而另一些粒子可以同时以物质和反物质的形式存在，这要归功于一种称为量子叠加的奇异现象。

粲介子属于最后一类。

量子叠加——源自量子力学，或支配极小世界的奇怪规则——允许微小粒子同时以许多不同的状态存在，本质上是不同粒子的混合，直到观察到所述粒子并选择一个状态。

它们不仅仅是粒子，它们也像小波，这些波在空间中任何给定点的大小代表在该点找到粒子的概率。

当粲介子（正式称为 D0）和它的反粒子对应物（反 D0）叠加存在时，D0 和反 D0 的波以各种方式重叠，形成另外两个物质粒子，称为 D1 和 D2，它们也在一种叠加状态。

尽管 D1 和 D2 由彼此相同的粒子 （D0） 和反粒子 （anti-D0） 成分组成，但它们的混合物略有不同，从而赋予它们不同的质量和寿命。

反过来也是如此。

D1 和 D2 也可以叠加产生 D0 或反 D0，具体取决于它们如何相互叠加。

“你可以认为 D0 是由 D1 和 D2 的混合物构成的，或者 D1 是由 D0 和反 D0 的混合物构成的，这只是看待同一现象的两种方式。

”合著者 Chris Parkes，曼彻斯特大学的实验物理学家和 LHC 的发言人告诉 Live Science。

因为这些粒子波的质量决定了它们的波长，因此决定了它们如何相互干扰，较重的 D1 和较轻的 D2 之间的质量差异决定了粲介子在其物质 （D0） 和反物质之间切换的速度（反 D0） 形式。

而且这种质量差异非常小：只有 3.5x10^ 减去 40 盎司（或 0.00000000000000000000000000000000000000001 千克）。

为了进行如此精确的测量，研究人员观察了 3060 万个粲介子，这些粲介子是在 LHC 内部两个质子撞击在一起时产生的。

粲介子在衰变成较轻的粒子之前只行进了几分之一英寸，但粒子加速器内的超精密探测器使团队能够比较传播距离最短的粲介子和走得最远的粲介子。

然后，研究人员利用这种差异来计算两种可能状态之间的质量差异。

这是第二次发现粒子以这种方式在物质和反物质之间振荡，第一次是2006年对奇异美介子的测量。

但根据研究人员的说法，在粲介子中发现这一点要困难得多，因为通常不稳定的粒子会在进行转换之前衰变。

合著者盖伊·威尔金森 （Guy Wilkinson） 说：“粲介子粒子振荡的发现如此令人印象深刻的原因是，与美介子不同，振荡非常缓慢，因此在介子衰变期间极难测量。

”牛津大学的一位实验物理学家在一份声明中说。

能够在物质和反物质之间实现飞跃的粒子很重要，因为它们是科学最大谜团之一的核心：宇宙最初为何存在。

根据标准模型，描述构成宇宙的基本粒子、物质和反物质的理论是由大爆炸等量产生的。

然而，我们生活的宇宙几乎完全由物质组成。

因为物质和反物质在接触时会相互湮灭，宇宙应该在它开始的那一刻或不久之后就自我湮灭。

那么，造成失衡的原因是什么？

一些假设表明，像粲介子这样的粒子本可以使物质宇宙免于湮灭——尤其是如果它们从反物质转变为物质的频率高于相反的情况。

升级后的大型强子对撞机在关闭三年多后将于 9 月重新启动，而日本的 Belle II 实验也计划进行类似的介子研究，因此发现进一步的线索可能并不遥远。

研究人员于 6 月 7 日在预印本服务器arXiv上发表了他们的研究结果，因此该研究尚未经过同行评审。