這種振蕩證明粲介子粒子可以在物質(zhì)和反物質(zhì)狀態(tài)之間交替。

為了測量微小的相互作用，科學(xué)家們不得不將他們的實驗縮小到 1 x 10^-38 克的極小尺寸。

據(jù)首次參與記錄這一現(xiàn)象的 1,000 多名物理學(xué)家組成的團(tuán)隊稱，一種被稱為粲介子的古怪亞原子粒子具有看似神奇的能力，可以在物質(zhì)和反物質(zhì)之間切換狀態(tài)(然后再切換回來)。

牛津大學(xué)的研究人員使用大型強(qiáng)子對撞機(jī) (LHC) 的第二次運行數(shù)據(jù)——位于瑞士的歐洲核研究組織(國際上稱為 CERN)的粒子加速器——通過對質(zhì)量的極其精確的測量做出了決定。兩個粒子：處于粒子和反粒子狀態(tài)的粲介子。

是的，量子物理學(xué)的這一突破聽起來很令人興奮。畢竟，粲介子粒子可以同時存在于它本身和它的邪惡雙胞胎(反粒子版本)的狀態(tài)中。這種狀態(tài)被稱為“量子疊加”，它是著名的薛定諤貓思想實驗的核心。

由于這種情況，粲介子以兩個不同質(zhì)量的兩個不同粒子的形式存在。但是，根據(jù)科學(xué)家的研究，準(zhǔn)確地說，兩者之間的差異非常小——0.0000000000000000000000000000000000001 克，在上個月發(fā)表在 arXiv 預(yù)印本服務(wù)器上的一篇新論文中進(jìn)行了描述(這意味著這項工作尚未經(jīng)過同行評審) . 他們最近提交了在《物理評論快報》雜志上發(fā)表的工作。

雖然調(diào)查結(jié)果基本上是微不足道的定義，但后果絕不是;物理學(xué)家說，粲介子粒子作為自身及其另一個自我存在的能力可能會動搖我們對現(xiàn)實本質(zhì)的假設(shè)。

什么是粲介子粒子?

要了解這里發(fā)生了什么，我們首先必須解開介子粒子。這些是極短壽命的亞原子粒子，具有平衡數(shù)量的夸克和反夸克。如果你跳過了量子物理學(xué)的那堂課，夸克是結(jié)合在一起形成“強(qiáng)子”的粒子，其中一些是質(zhì)子和中子——原子核的基本組成部分。

粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型包括物質(zhì)粒子(夸克和輕子)、攜帶力的粒子(玻色子)和希格斯玻色子。

通過對稱雜志：費米實驗室/SLAC 聯(lián)合出版物。

夸克有六種“味”：上、下、粲、奇、頂、底。每個都有一個反粒子，稱為反夸克。夸克和反夸克之所以不同，是因為它們具有不同的特性——例如大小相等但符號相反的電荷。

回到介子：它們幾乎和中子或質(zhì)子一樣大，但非常不穩(wěn)定。因此，它們在自然界中并不常見，但物理學(xué)家有興趣在人造環(huán)境(如LHC)中研究它們，因為他們想更好地了解夸克。那是因為，與輕子一起，夸克構(gòu)成了所有已知物質(zhì)。

粲介子可以作為其粒子和反粒子狀態(tài)的混合物傳播(這種現(xiàn)象被恰當(dāng)?shù)胤Q為“混合”)。物理學(xué)家已經(jīng)知道這一點十多年了，但新的研究首次表明，粲介子實際上可以在兩種狀態(tài)之間來回振蕩。

什么是反物質(zhì)?

反夸克是夸克的對立面，被認(rèn)為是反物質(zhì)的一種。這些粒子可以抵消普通物質(zhì)的影響ーー如果你希望宇宙存在的話，這就是一個問題。各種各樣的反物質(zhì)幾乎都是用反前綴來命名的，就像夸克對反夸克一樣。更具體地說，一個粲介子通常有一個粲夸克和一個上夸克，而它的反伴侶有一個粲反夸克和一個上夸克。

需要注意的是，粲介子并不是唯一可以在物質(zhì)和反物質(zhì)狀態(tài)之間振蕩的粒子。此前，物理學(xué)家們在標(biāo)準(zhǔn)模型(解釋粒子物理學(xué)的理論)中觀測到了另外三個粒子。包括奇異介子、美介子和奇美介子。為什么粲介子這么長時間都沒有出現(xiàn)?粲介子振蕩得非常緩慢，這意味著物理學(xué)家必須以極其精細(xì)的細(xì)節(jié)進(jìn)行測量。事實上，大多數(shù)粲介子在完全振蕩發(fā)生之前就會完全衰變，就像一個患有生長緩慢的腫瘤的老人。

科學(xué)家是如何捕捉到量子疊加中的粲介子的?

D1 和 D2 介子之間質(zhì)量差異的圖示。

歐洲核子研究中心

產(chǎn)生粲介子數(shù)據(jù)的大規(guī)模項目被稱為 LHCb 實驗。根據(jù)歐洲核子研究中心的說法，它試圖研究為什么我們生活在一個充滿物質(zhì)但似乎沒有反物質(zhì)的世界中。

使用來自 LHC 產(chǎn)生的粲介子的大量數(shù)據(jù)，科學(xué)家們測量到的粒子差異為 1 x 10^-38 克。憑借那令人難以置信的細(xì)齒梳子，他們能夠觀察到魅力介子的疊加振蕩。

科學(xué)家是如何測量這種令人難以置信的微小質(zhì)量差異的?簡而言之，大型強(qiáng)子對撞機(jī)定期產(chǎn)生各種介子作為其科學(xué)家工作的一部分。

“粲介子是在 LHC 質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生的，通常它們只會傳播幾毫米，然后才會衰變成其他粒子，”牛津大學(xué)的一份新聞稿稱。“通過比較傾向于傳播得更遠(yuǎn)的粲介子與那些衰減得更快的粲介子，該團(tuán)隊確定質(zhì)量差異是驅(qū)動粲介子是否變成反粲介子的主要因素。”

粲介子振蕩本可以拯救宇宙

阿爾弗雷德·帕西卡 / 科學(xué)照片庫GETTY IMAGES

現(xiàn)在科學(xué)家們終于觀察到了粲介子振蕩，他們希望揭開振蕩過程本身的奧秘。

這條研究道路可能會導(dǎo)致對我們的世界最初是如何開始的有了新的理解。根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，大爆炸應(yīng)該產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。謝天謝地，那沒有發(fā)生——因為如果發(fā)生了，所有的反物質(zhì)粒子都會與物質(zhì)粒子相撞，摧毀一切。

物理學(xué)家說，很明顯，我們世界中的物質(zhì)和反物質(zhì)碰撞不平衡，這個謎團(tuán)的答案可能在于像粲介子這樣難以理解的粒子振蕩。現(xiàn)在，科學(xué)家們想了解從粒子到反粒子的躍遷率是否與從反粒子到粒子的躍遷率相同。

根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，我們關(guān)于我們?nèi)绾未嬖诘母拍?mdash;—為什么我們生活在一個充滿物質(zhì)而不是反物質(zhì)的世界，以及我們是如何來到這里的——可能永遠(yuǎn)改變。