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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

文章来源:中科院高能物理研究所

更新时间:2022-06-02 12:33

       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。实验结果于2022年6月1日在《自然》杂志正式刊发。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。

       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
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。
 

图 1 BESIII实验装置用于数据采集
 
       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。

       高能物理研究所所长王贻芳院士表示,“这是理解正反物质不对称的一个里程碑,期待合作组将取得更多成就。”北京谱仪国际合作组发言人李海波研究员强调说,“北京谱仪III实验的灵敏度远高于之前美国费米实验室的HyperCP实验,是HyperCP实验单事例灵敏度的1000倍,这得益于北京谱仪III实验上正反科西超子的自旋极化和量子纠缠。”

       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。

 

图 2 正—反科西超子级联衰变演示图

 
相关链接:
自然杂志:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04624-1
中科院高能物理研究所:http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2022/202206/t20220601_6456501.html
中国科学报:https://mp.weixin.qq.com/s/-6xYP2Dj8NFhAxwx212rnA
科学网:https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/6/369670.shtm
央视新闻网:https://content-static.cctvnews.cctv.com/snow-book/index.html?toc_style_id=feeds_default&share_to=wechat&item_id=5850282429201378059&track_id=D870F3D7-826D-44D1-B05A-D6D5B9AC3D4B_675822113847
中国新闻网:https://m.chinanews.com/wap/detail/chs/zw/9769835.shtml