3月24日，在意大利拉圖伊萊舉行的年度Rencontres de Moriond會議上，歐洲核子研究中心(CERN)的LHCb合作項目報告了在理解物質和反物質之間微妙而深刻的差異方面取得的新里程碑。通過分析大型強子對撞機(LHC)產生的大量數據，這個國際團隊發現了壓倒性證據表明，被稱為重子的粒子，例如組成原子核的質子和中子，受到自然界基本定律中類似鏡像的不對稱影響，這導致物質和反物質的行為不同。

地下洞穴中的 LHCb 實驗視圖(圖片來源：CERN)

20世紀60年代，介子(由一對夸克-反夸克組成)首次觀測到“電荷宇稱(CP)”對稱性破壞，這種現象一直是固定目標和對撞機實驗中研究的熱門話題。雖然人們預計另一類主要已知粒子——由三個夸克組成的重子——也會出現這種現象，但迄今為止，LHCb等實驗只發現了重子中CP破壞的跡象。

LHCb發言人Vincenzo Vagnoni解釋道：“之所以在重子中觀察到CP破壞比在介子中觀察到更長時間，是因為效應的大小和可用的數據。我們需要一臺像LHC這樣的機器，能夠產生足夠多的美重子及其反物質對應物，我們需要在該機器上進行實驗，能夠精確定位它們的衰變產物。我們花了80,000多次重子衰變才第一次看到這類粒子的物質-反物質不對稱。”

已知粒子相對于其反物質伙伴具有相同的質量和相反的電荷。然而，當粒子轉變或衰變成其他粒子時，例如當原子核經歷放射性衰變時，CP破壞會導致這種鏡像對稱性破裂。這種效應可以表現為粒子和其反物質對應物衰變成更輕粒子的速率差異，物理學家可以使用高度復雜的探測器和數據分析技術記錄下來。

LHCb合作組在質子和中子更重、壽命更短的近親——美-λ重子Λb中觀察到了CP破壞，它由一個上夸克、一個下夸克和一個美夸克組成。研究團隊仔細分析了LHCb探測器在LHC第一次和第二次運行(分別從2009年至2013年和2015年至2018年)期間收集的數據，以尋找Λb粒子衰變為一個質子、一個K介子和一對帶相反電荷的π介子的衰變，以及它的反物質對應物反Λb的相應衰變。然后，他們計算了每種粒子觀察到的衰變次數，并取兩者之間的差值。

分析表明，Λb衰變次數與反Λb衰變次數之差除以兩者之和，與零相差2.45%，不確定度約為0.47%。從統計學上講，結果與零相差5.2個標準差，高于聲稱在此重子衰變中觀察到CP破壞所需的閾值。

盡管人們早就預料到重子之間存在CP破壞，但粒子物理標準模型的復雜預測尚不夠精確，無法對理論和LHCb測量進行徹底的比較。令人困惑的是，標準模型預測的CP破壞量比實際小很多個數量級，不足以解釋宇宙中觀測到的物質-反物質不對稱現象。這表明存在標準模型預測范圍之外的CP破壞新源，而尋找此類源是LHC物理計劃的重要組成部分，未來可能在其后繼的對撞機上繼續進行。

Vagnoni表示：“我們觀察到的CP破壞系統越多，測量越精確，我們測試標準模型和尋找超越它的物理學的機會就越多。首次在重子衰變中觀察到CP破壞為進一步從理論和實驗上研究CP破壞的性質鋪平了道路，可能為超越標準模型的物理學提供新的約束。”

CERN研究和計算主任Joachim Mnich祝賀LHCb合作取得這一令人興奮的成果，并表示：“它再次凸顯了LHC及其實驗的科學潛力，為探索宇宙中的物質-反物質不對稱提供了新工具。”