3月24日，在意大利拉图伊莱举行的年度Rencontres de Moriond会议上，欧洲核子研究中心(CERN)的LHCb合作项目报告了在理解物质和反物质之间微妙而深刻的差异方面取得的新里程碑。通过分析大型强子对撞机(LHC)产生的大量数据，这个国际团队发现了压倒性证据表明，被称为重子的粒子，例如组成原子核的质子和中子，受到自然界基本定律中类似镜像的不对称影响，这导致物质和反物质的行为不同。
地下洞穴中的 LHCb 实验视图(图片来源：CERN)
20世纪60年代，介子(由一对夸克-反夸克组成)首次观测到“电荷宇称(CP)”对称性破坏，这种现象一直是固定目标和对撞机实验中研究的热门话题。虽然人们预计另一类主要已知粒子——由三个夸克组成的重子——也会出现这种现象，但迄今为止，LHCb等实验只发现了重子中CP破坏的迹象。
LHCb发言人Vincenzo Vagnoni解释道：“之所以在重子中观察到CP破坏比在介子中观察到更长时间，是因为效应的大小和可用的数据。我们需要一台像LHC这样的机器，能够产生足够多的美重子及其反物质对应物，我们需要在该机器上进行实验，能够精确定位它们的衰变产物。我们花了80,000多次重子衰变才第一次看到这类粒子的物质-反物质不对称。”
已知粒子相对于其反物质伙伴具有相同的质量和相反的电荷。然而，当粒子转变或衰变成其他粒子时，例如当原子核经历放射性衰变时，CP破坏会导致这种镜像对称性破裂。这种效应可以表现为粒子和其反物质对应物衰变成更轻粒子的速率差异，物理学家可以使用高度复杂的探测器和数据分析技术记录下来。
LHCb合作组在质子和中子更重、寿命更短的近亲——美-λ重子Λb中观察到了CP破坏，它由一个上夸克、一个下夸克和一个美夸克组成。研究团队仔细分析了LHCb探测器在LHC第一次和第二次运行(分别从2009年至2013年和2015年至2018年)期间收集的数据，以寻找Λb粒子衰变为一个质子、一个K介子和一对带相反电荷的π介子的衰变，以及它的反物质对应物反Λb的相应衰变。然后，他们计算了每种粒子观察到的衰变次数，并取两者之间的差值。
分析表明，Λb衰变次数与反Λb衰变次数之差除以两者之和，与零相差2.45%，不确定度约为0.47%。从统计学上讲，结果与零相差5.2个标准差，高于声称在此重子衰变中观察到CP破坏所需的阈值。
尽管人们早就预料到重子之间存在CP破坏，但粒子物理标准模型的复杂预测尚不够精确，无法对理论和LHCb测量进行彻底的比较。令人困惑的是，标准模型预测的CP破坏量比实际小很多个数量级，不足以解释宇宙中观测到的物质-反物质不对称现象。这表明存在标准模型预测范围之外的CP破坏新源，而寻找此类源是LHC物理计划的重要组成部分，未来可能在其后继的对撞机上继续进行。
Vagnoni表示：“我们观察到的CP破坏系统越多，测量越精确，我们测试标准模型和寻找超越它的物理学的机会就越多。首次在重子衰变中观察到CP破坏为进一步从理论和实验上研究CP破坏的性质铺平了道路，可能为超越标准模型的物理学提供新的约束。”
CERN研究和计算主任Joachim Mnich祝贺LHCb合作取得这一令人兴奋的成果，并表示：“它再次凸显了LHC及其实验的科学潜力，为探索宇宙中的物质-反物质不对称提供了新工具。”
