大型强子对撞机底夸克侦测器测量粒子之间的微小质量差异

LHCb(大型强子对撞机底夸克侦测)合作项目已经测量了D1和D2介子之间的微小质量差异，这是D0粒子及其反粒子的量子叠加的一种表现形式。这种质量差异控制着D0粒子振荡成反粒子后的速度。图片：CERN

LHCb合作组织已经测量出两个粒子之间的质量差为0.000 000 000 000 000 000 000 01克，或者用科学符号表示为10-38克。这一结果在刚刚提交给《物理评论快报》杂志发表的一篇论文中报告，并在今天欧洲核子研究中心的一个研讨会上提出，标志着在研究一种被称为D0介子的粒子如何从物质变为反物质并返回方面的一个里程碑。

D0介子是粒子物理学标准模型中仅有的四种粒子之一，它们可以变成或 "振荡 "成反物质粒子，而反物质粒子在大多数方面与它们的物质对应物相同。其他三个是K0介子和两种类型的B介子。

介子是由称为夸克的基本粒子组成的一大类粒子的一部分，它包含一个夸克和一个反物质夸克。D0介子由一个魅力夸克和一个上反夸克组成，而它的反粒子，即反D0，由一个魅力反夸克和一个上夸克组成。

在奇怪的量子物理学世界中，正如薛定谔那只臭名昭著的猫可以既死又活一样，D0粒子可以同时是它自己和它的反粒子。这种量子 "叠加 "导致两个粒子，每个粒子都有自己的质量--一个较轻的和一个较重的D介子(技术上称为D1和D2)。正是这种叠加使得D0能够振荡成它的反粒子并返回。

D0粒子是在大型强子对撞机(LHC)的质子-质子对撞中产生的，它们在转变或 "衰变 "为其他粒子之前平均只走了几毫米。通过比较短距离飞行后衰变的D0粒子和那些更远的粒子，LHCb合作组织已经测量了控制D0振荡成反D0速度的关键数量--较重和较轻D粒子之间的质量差异。

结果是10-38克，超过了 "五西格玛 "的统计学意义水平，而这是在粒子物理学中宣称观测所需的。

"LHCb发言人克里斯-帕克斯说："为了把这个令人难以置信的小质量差异放在背景中，即使与D0粒子的质量相比，它仍然是一个小数字--相当于一个雪球的质量与整个勃朗峰(欧洲最高峰，海拔超过4800米)的质量相比。"而且这也是研究D0粒子振荡行为的一大步"。

随着现在观察到的微小质量差异，粒子探索的一个新阶段可以开始了。研究人员可以对D0衰变进行进一步的测量，以获得更精确的质量差异，并寻找标准模型没有预测的未知粒子对D0振荡的影响。

这种新粒子可能会增加振荡的平均速度，或者增加物质到反物质的振荡速度和反物质到物质的振荡速度之间的差异。如果被观察到，这种差异可以阐明为什么宇宙完全由物质组成，尽管在大爆炸期间物质和反物质应该是以同等数量产生的。