反物質與CP破壞

B 介子中的 CP 破壞(B 工廠與 LHCb 計畫)

/ bee MEH-zonz; el-aitch-see-bee /

在 1964 年首次於 K 介子中瞥見 CP 破壞之後,物理學家意識到一個更重的「表親」——B 介子——應當呈現同樣的效應,但要強烈得多、也乾淨得多。B 介子含有底夸克,即第二重的夸克,而理論預言 B 介子與反 B 介子的衰變之間會有巨大且易於測量的差別。為了追蹤這一點,物理學家建造了被暱稱為「B 工廠」的專用機器——經過調諧、能以數十億計大批量生產 B 介子的加速器——後來又有大型強子對撞機上的 LHCb 實驗。

兩座 B 工廠領跑:美國 SLAC 的 BaBar 和日本的 Belle,兩者都在二〇〇〇年代運行。它們的工作方式是讓電子和正電子在恰到好處的能量上對撞,產生成對的 B 介子,然後觀察每對中的一個以「物質」或「反物質」的身份衰變,並對另一個如何衰變計時。最受矚目的測量是一種隨時間變化的不對稱:一個 B 介子和它的反物質孿生體衰變到同一個末態,隨著時間推移卻以明顯不同的速率衰變——這是一個直接而顯著的 CP 破壞訊號。LHCb 專門用來捕捉質子對撞中產生的大量 B 介子,把這一計畫擴展到多得多的衰變道,甚至在含粲夸克的粒子和重子(而不只是介子)中也發現了 CP 破壞。

這一計畫把 CP 破壞從一樁奇聞變成了一門精密科學。橫跨 K 介子、B 介子和 D 介子的所有測量,都以驚人的一致性符合標準模型那一個 CKM 相位,確證了小林-益川機制,並支撐了 2008 年的諾貝爾獎。這項工作仍在繼續,因為物理學家在尋找微小的偏差——一個不太符合 CKM 圖像的測量,將是指向新物理、乃至指向解釋宇宙物質過剩所需的額外 CP 破壞的路標。一個誠實的提醒是:到目前為止,B 介子的結果與標準模型符合得幾乎太好,使得重子不對稱之謎仍未解開。

在 Belle 和 BaBar 實驗中,中性 B 介子及其反粒子衰變到同一末態時,作為衰變時間的函數呈現出幾十個百分點的不對稱——這是一個遠比 K 介子中那個千分之幾的訊號更大、更乾淨的 CP 破壞效應。

B 介子使 CP 破壞變得顯著而可測。

一個常見的過度簡化是說 LHCb「發現」了 CP 破壞;其實這一發現 1964 年在 K 介子中、約 2001 年在 B 工廠的 B 介子大效應中就已完成——LHCb 的作用是把這些測量擴展到多得多的粒子上並使之更精確。

又稱
B-factoryB meson CP violationBaBarBelleLHCbB 介子 CP 破坏B 工厂