北京時(shí)間 6 月 30 日消息，世界上最大的原子對撞機(jī) —— 大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）的研究人員在嘗試把物質(zhì)變?yōu)榉次镔|(zhì)的過程中，捕捉到一種奇異的亞原子粒子。這一發(fā)現(xiàn)或許可以幫助我們了解宇宙如何從大爆炸誕生之后的瞬間免于徹底的湮滅。
牛津大學(xué)的研究人員使用來自大型強(qiáng)子對撞機(jī)的第二次運(yùn)行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了這種粲介子。這是一種同時(shí)包含夸克（即構(gòu)成物質(zhì)的基本單元）和反夸克的亞原子粒子，并且可以在物質(zhì)和反物質(zhì)的兩種狀態(tài)之間自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
每個(gè)粒子都有自己的反物質(zhì)等效物，它們質(zhì)量相同、壽命和原子自旋也相同，唯獨(dú)所帶電荷相反。有些粒子，比如光子（光粒子），它們的反粒子就是自己；而另一些粒子，得益于所謂的“量子疊加”的奇異現(xiàn)象，可以同時(shí)以物質(zhì)和反物質(zhì)的形式存在。
粲介子屬于最后一類。量子疊加，源自量子力學(xué)（或者說支配微觀宇宙的奇怪規(guī)則）。量子疊加允許微觀粒子同時(shí)以多種不同的狀態(tài)存在，本質(zhì)上是不同粒子的混合，直至有人去觀測這些粒子并選擇一種狀態(tài)開始研究。它們不單是粒子，也具有波的屬性，這些波在空間中任何給定位置的大小代表了在該位置發(fā)現(xiàn)粒子的概率。
當(dāng)粲介子（稱為“D0”）和其反粒子等效物（“反 D0”）以疊加態(tài)存在時(shí)，D0 的波和反 D0 的波以多種方式重疊，形成另外兩種物質(zhì)粒子：D1 和 D2。D1 和 D2 也處于疊加態(tài)。盡管 D1 和 D2 由彼此相同的粒子（D0）和反粒子（反 D0）成分組成，但它們的混合略有不同，因而具有不同的質(zhì)量和壽命。
反之亦然；D1 和 D2 也可以疊加產(chǎn)生 D0 或反 D0，具體取決于它們相互疊加的方式。
論文的合著者、曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家兼 LHC 發(fā)言人克里斯?帕克斯說：“你可以把 D0 想象成由 D1 和 D2 的混合物構(gòu)成，或者 D1 由 D0 和反 D0 的混合物構(gòu)成，這不過是看待同一現(xiàn)象的兩種方式?！?/p>
這些粒子波的質(zhì)量決定了它們的波長，進(jìn)而也決定了它們互相干擾的方式，以及重一點(diǎn)的 D1 和輕一點(diǎn)的 D2 之間的質(zhì)量差異。這種質(zhì)量差異又決定了粲介子在其兩種狀態(tài) —— 物質(zhì)（D0）和反物質(zhì)（反 D0）—— 之間轉(zhuǎn)換的速度。
然后，這種質(zhì)量差異非常非常小：只有 0.00000000000000000000000000000000000000001 千克。
為了在如此精確的層面上進(jìn)行測量，研究人員觀察了 3060 萬個(gè)粲介子。粲介子產(chǎn)生于大型強(qiáng)子對撞機(jī)中兩個(gè)質(zhì)子撞擊之后，僅傳播幾毫米就會(huì)迅速衰變成質(zhì)量更輕的其他粒子。不過，粒子加速器內(nèi)的超精密探測器可以幫助團(tuán)隊(duì)比較傳播得最近和最遠(yuǎn)的粲介子。接著，研究人員可以利用傳播距離的差異，計(jì)算出兩種可能狀態(tài)之間的質(zhì)量差異。
這也是科學(xué)家第二次發(fā)現(xiàn)一個(gè)粒子以這種方式在物質(zhì)和反物質(zhì)狀態(tài)之間振蕩。第一次發(fā)現(xiàn)是在 2006 年，當(dāng)時(shí)觀察的是奇異-b 介子。但是研究人員表示，觀測粲介子中的這一現(xiàn)象要更加困難，因?yàn)榱Ｗ油ǔＴ谵D(zhuǎn)變之前就已經(jīng)衰變了。
合著者之一、牛津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家蓋伊?威爾金森在一份聲明中說：“發(fā)現(xiàn)粲介子粒子的振蕩現(xiàn)象的獨(dú)特之處在于，不像 b 介子，粲介子的振蕩非常緩慢，因此粒子的振蕩在粲介子快速衰變之前極難測量到?！?/p>
能夠在物質(zhì)和反物質(zhì)之間轉(zhuǎn)換的粒子十分重要，因?yàn)樗鼈兛赡苁墙獯鹂茖W(xué)界最大謎團(tuán)之一的關(guān)鍵。這個(gè)謎團(tuán)就是：宇宙為何存在。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，也就是描述構(gòu)成宇宙的基本粒子的理論，宇宙大爆炸之初產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。但是，我們?nèi)缃裆畹挠钪鎺缀跬耆晌镔|(zhì)構(gòu)成。由于物質(zhì)和反物質(zhì)接觸的那一瞬間會(huì)互相湮滅，宇宙在大爆炸中誕生的那一刻或不久之后，照理也會(huì)自我湮滅。那究竟是什么造成了物質(zhì)與反物質(zhì)之間的不平衡呢？
有些假設(shè)認(rèn)為，諸如粲介子這樣的粒子讓我們的物質(zhì)宇宙免于湮滅，尤其是當(dāng)它們從反物質(zhì)到物質(zhì)的轉(zhuǎn)換頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于它們從物質(zhì)到反物質(zhì)的轉(zhuǎn)換頻率時(shí)。升級(jí)后的大型強(qiáng)子對撞機(jī)將在關(guān)閉三年多時(shí)間后于今年 9 月份重新啟動(dòng)，另外日本的 Bell2 實(shí)驗(yàn)也計(jì)劃開展類似的介子研究。屆時(shí)，研究人員或許可以發(fā)現(xiàn)一些新的線索。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。