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：2022-12-22 10:26
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（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。
图 1 BESIII实验装置用于数据采集
图 2 正—反科西超子级联衰变演示图
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。
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。
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
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
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