一个拿不定主意的粒子
上一篇指南给我们留下了一个谜题：1964 年，中性 K 介子表明，连那个精心修补好的 CP 对称性也被轻轻一缕地破坏了。要弄清那「一缕」究竟是怎么冒出来的，我们得去看中性 K 介子表演的那个最古怪的把戏——一个它和两位表亲共有的把戏。有些中性介子能在自己还活着的时候，反复地变成它自己的反粒子、再变回来。这就是中性介子混合，有时也叫振荡，而它正是 CP 破坏得以登台演出的那个舞台。
为什么只有某些中性介子？因为这把戏需要一个其反粒子确实跟自己不同、却又能悄悄变成它的粒子。拿中性 K 介子来说：它由一个下夸克和一个奇异反夸克组成。它的反粒子——反 K 介子——则是把这一对对调过来：一个奇异夸克和一个下反夸克。它们是两个不同的对象，带着相反的奇异数，所以并不是同一样东西，不像光子那样是它自己的反粒子。但弱相互作用能改变夸克味，通过它，K 介子就能变身为反 K 介子。中性 B 介子（含一个底夸克）和中性 D 介子（含一个粲夸克）同样如此。混合是它们共有的标志。
这种来回是怎么发生的
下面是这套机制，不用代数把它讲清楚。量子力学允许一个系统同时处在 K 介子与反 K 介子的叠加态里。大自然并不是让「K 介子」和「反 K 介子」各自当稳定的旅人去传播；相反，它传播的是它们的两种特定混合，每一种都有自己锐利的质量和自己的寿命。因为这两种混合的质量略有不同，它们的量子相位在粒子飞行时就以略微不同的节拍走动——而这点节拍上的差异，意味着你一开始拿到的那份配比会缓缓地转动。一个出生时纯是 K 介子的态，过一会儿就掺进了反 K 介子的成分，然后又荡回来。这个粒子，真真切切地在物质与反物质之间振荡。
在夸克层面驱动这场变身的，是一个短促的、绕圈的弱过程：介子内部那两个夸克短暂地交换一对 W 玻色子，并把味改变两次——实际上就是下变奇异、再变回去。这是一个二阶的改变味效应，正因如此，混合是个缓慢而精细的过程，而不是瞬间一翻。不同种类之间，节奏天差地别：重的中性 B 介子混合得轻快，大约在一个寿命里振荡一次——而它的奇异表亲 B_s 介子要快得多，衰变前能荡上好几个来回——中性 K 介子混合得要悠闲得多，而粲味的 D 介子振荡得如此微弱，以至于这个效应直到 2010 年代才被钉死。
K0 = (d , s-bar) anti-K0 = (d-bar , s)
weak loop (two W exchanges)
K0 <-----------------------------> anti-K0
travelling states = two blends, masses M1 and M2
oscillation tempo ~ (M1 - M2)
B0 : mixes ~once per lifetime (moderate)
Bs : mixes several times per lifetime (fast)
K0 : mixes leisurely (slow)
D0 : mixes very feebly (tiny, seen ~2010s)CKM 矩阵：物质与反物质分道扬镳之处
单是混合本身是对称的——它自己并不偏爱物质胜过反物质。不对称是通过一个关于夸克如何改变味的更深的事实进来的。每当弱相互作用把一个夸克变成另一个，它都以某种强度去做，而这些强度被收进一张单独的 3×3 数表里，叫做 CKM 矩阵（取自卡比博、小林、益川）。它的行是上型夸克（上、粲、顶），列是下型夸克（下、奇异、底）；每一格说的是其中一个变成另一个有多容易。对角线上的元素很大——一个夸克通常待在自己的代里——而那些让六种夸克跨代来往的非对角元，越是远离对角线就越小。
现在来到关键的微妙之处。CKM 矩阵的元素不只是大小；它们是复数，意味着每一个除了模长还带着一个相位。这些相位大多可以通过重新定义夸克而被吸收掉，但在三代的情形下，有一个相位顽固地幸存了下来，无论如何都转不到零。这个剩下的相位，就是夸克部门里 CP 破坏的全部来源。原因很优雅：物质过程与反物质过程之间，由复共轭相联系，而复共轭会把那个相位的符号翻过来。如果相位不为零，两者就会以极其略微不同的速率进行——这，终于，就是为什么大自然对一个夸克和它的反夸克，会有那么毫厘之差的不同对待。
幺正三角形：一个画在纸上的自洽性检验
CKM 矩阵自带一条约束：它必须是幺正的，而这无非就是要求各种概率加起来等于一——一个衰变的夸克总得变成点什么，总几率恰好是 100%。幺正性强加了元素之间的若干关系，而其中一个关系，可以漂亮地画成平面上的一个三角形。这就是幺正三角形。它的三条边是 CKM 元素的组合，一旦你知道了这个矩阵，它的各个角和边长就被定死了。要紧的是：只有当那个幸存的相位不为零时，这个三角形才有真正的面积——所以一个没有塌缩成一条直线的三角形，正是 CP 破坏本身的几何面孔。
这正是幺正三角形之所以是个强大工具的原因。每一个角、每一条边，都能独立地测出来，在完全不同的实验里、用完全不同的衰变去测。标准模型坚持它们必须全部合拢成一个自洽的三角形。如果你从 B 介子混合测出一个角，从一个稀有的 K 介子衰变测出另一个角，又从 B 介子振荡有多快测出一条边，结果它们没能在相同的顶点上碰头——那么标准模型就出现了一道裂纹，新物理就藏在那道缝里。这个三角形，实际上是一道被过度确定的谜题：测量比未知数还多，所以一旦框架是错的，它就会露馅。
解读三角形：B 工厂与 LHCb
K 介子送来了 CP 破坏的第一缕低语，但中性 B 介子成了它最响亮的嗓音。B 介子混合得快，又衰变到干净、特征鲜明的末态，所以物质与反物质之间的不对称会显现为一个很大的、可测量的效应——而不是 K 介子给出的那零点几个百分点。两台专门的机器——B 工厂（SLAC 的 BaBar 与日本的 Belle）——在 2000 年前后建成，用以成亿上亿地制造 B 介子。它们让电子与正电子在一个特意调谐的能量上对撞，恰好像钟一样在产生成对 B 介子的阈值上鸣响，然后看着其中一个 B 介子振荡并衰变，同时用另一个去标记它最初究竟是物质还是反物质。
到 2001 年，两个实验都钉死了一个很大的、毫不含糊的 B 介子中的 CP 破坏，测出了三角形的第一个角。接力棒随后传给了 LHCb，大型强子对撞机上的一台专门探测器，它的形状不像个圆桶，倒像个沿着束流方向指出去的锥形，因为那些重夸克是往前飞的。LHCb 以惊人的数量产生 B 介子——包括 B 工厂造不出来的那个更重的奇异 B 介子——并且重重地依赖位移顶点标记：一个 B 介子活得恰好够它走上不到一毫米的零头，所以它的衰变点会明显地与对撞点分开，这是把这些衰变从混沌里挑出来的一个泄露天机的特征。
下面是那句老实的妙语，而它是个古怪的妙语。迄今为止测出的每一个角、每一条边——由 K 介子实验、B 工厂和 LHCb 所测——都落在同一个自洽的三角形上。CKM 这幅图景运作得好得惊人；它是标准模型的伟大胜利之一。然而恰恰是这份成功，对本阶梯最深的那个问题来说，是一种失望。CKM 相位所供给的 CP 破坏，太微弱了，大约差了十个数量级，根本不足以解释那个留下了一个物质宇宙的物质-反物质失衡。这套机制是真实的、被漂亮地确证了的，又远远不够——这正是为什么物理学家不停地在三角形里寻找裂纹，也正是为什么下一篇指南会转向：这宇宙还必定藏着些什么别的。