粒子物理学家利用北京谱仪III数据探索正反物质不对称性

BESIII国际合作组

2022年

根据宇宙大爆炸理论， 宇宙在产生之初应该产生等量的正反物质，但我们今天看到的宇宙却只有物质组成而非反物质。这个正反物质不对称的问题困扰了科学界半个多世纪。如果宇宙大爆炸理论是正确的，物质和反物质是否遵循不同的规律？粒子衰变为研究正反物质不对称提供了重要线索：如果粒子和反粒子的衰变模式存在差异，那么这些差异可能是导致正反物质不对称的原因。然而，由于粒子衰变通常是由多种相互作用诱导发生的，一种类似质子的短寿命粒子叫做科西(Ξ^-)超子的衰变过程中既有弱作用也有强作用发生，北京谱仪国际合作组最近首次利用处于量子纠缠的正反科西(Ξ^-)超子对的级联衰变，成功地把导致正反物质不对称的弱作用力从强作用力中分离出来，这一创新方法和实验结果引起该领域世界同行的密切关注。

北京正负电子对撞机北京谱仪国际合作组利用北京谱仪III（BESIII）数据完成世界上最精确的正反科西超子衰变不对称性测量。该结果证实了一种新方法，它为研究物质和反物质之间的差异提供了极其灵敏的探针。 BESIII实验圆满收集了约100亿J/ψ粒子的数据，这些数据全部汇交在国家高能物理科学数据中心。北京谱仪国际合作组仅用13%的数据量研究了J/ψ粒子衰变到正-反科西超子的过程，在13亿J/ψ衰变事例中完整干净地重建出约7万个正-反科西超子对，本底污染率小于千分之一水平。从J/ψ衰变出来的正-反科西超子处于量子相干状态，科学家利用这一独特的量子干涉效应，以及科西超子的级联衰变和自旋极化信息，从而以前所未有的精度测量了正反科西超子的不对称参数，并首次测量了超子衰变中弱相互作用和强相互作用相因子。给出三种CP不对称性最精确的测量结果。量子化、对称性和相因子是现代物理学的基石，BESIII实验通过这一测量实现了对量子化、对称性和相因子的首次同时探测。该实验结果于2022年6月1日在《自然》杂志正式刊发。

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2022/202206/t20220601_6456501.html

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04624-1

国家高能物理科学数据中心作为BESIII实验数据服务的支撑机构，目前已汇集了超过10PB的实验数据，并为用户部署了高性能数据计算平台及软件系统，为用户提供模拟、事例重建、物理分析等数据处理等服务。