宇宙中的对称性与不对称性
在我们所处的宇宙中，物质远远多于反物质。按理说，宇宙大爆炸诞生之初，物质与反物质应等量生成，但随着宇宙冷却，它们互相湮灭，只剩下极少数物质得以幸存，构成今天的星系、行星和生命体。那么，宇宙是如何偏爱物质的？这背后的答案之一，可能隐藏在粒子物理中的“CP对称性破裂”现象之中。
所谓CP对称性，是指粒子的行为若在“电荷共轭”（C，粒子与反粒子的互换）与“宇称变换”（P，空间反演）之后仍不变，则称系统保持CP对称。但实验已经多次发现某些粒子在衰变过程中打破了这种对称。这种对称破坏被认为是造成物质偏多的根本原因之一。
早在1964年，科学家首次在奇异介子的衰变中发现了CP破坏；之后的研究在美丽介子与粲介子中也观察到了类似现象。然而，作为构成日常世界（如质子、中子等）基本单元的“重子”，却从未有CP破坏被实验证实。这一空白长期困扰着粒子物理学界。
LHCb：发现重子衰变中的CP破坏
2025年，一项由欧洲核子研究中心（CERN）LHCb合作组主导的研究，首次在重子衰变中观察到显著的CP破坏，为这一谜题揭开序幕。研究对象是一种重子，即包含一个b夸克（美夸克）和两个轻夸克（u和d）的粒子，其质量远高于质子。LHCb团队分析了该重子衰变为pK⁻π⁺π⁻（质子、负K介子、两个带相反电荷的π介子）这一四体衰变过程，并与其反粒子衰变进行对比。
研究利用了2011至2018年期间，LHCb探测器在质子-质子对撞中收集的约9 fb⁻¹的数据量。这些高能对撞中产生了大量该重子与其反粒子。通过机器学习方法、粒子鉴别技术与统计拟合模型，研究者成功提取出超过80,000个信号事例，并测定了两类粒子衰变率的差异。
最终，研究测得的CP不对称度为 (2.45 ± 0.46 ± 0.10)%，其统计显著性高达 5.2个标准差，这意味着几乎可以排除纯粹偶然的可能性。这是人类首次在重子系统中发现明确的CP破坏，为宇宙物质-反物质不对称性提供了关键线索。该研究的成果于2025年7月16日发表在了自然杂志《Observation of charge–parity symmetry breaking in baryon decays》。
CP破坏的物理机制
粒子衰变过程中的CP破坏，一般源于两个量子过程之间的干涉：一是“树图”过程，即直接通过弱相互作用的衰变路径；另一个是“圈图”过程，即存在虚拟粒子的中间路径。这两条路径各自携带不同的复数相位，包括CKM矩阵的“弱相位”以及强相互作用带来的“强相位”。
该重子的四体衰变非常复杂，衰变末态可能经过多个强子共振态的中间过程，例如激发态核子、激发态K介子等。它们不仅影响粒子最终的质量分布，也增强了不同过程之间的相位差，从而提高了CP破坏的观测概率。此次LHCb实验中，研究者还进一步将数据划分至不同“相空间”区域（即不同质量组合区域），结果显示在某些共振主导区域，CP破坏程度高达 5.4%，显著性更是达到 6σ。
为什么重要？
这项突破的意义不仅在于首次发现重子系统中的CP破坏，更在于它为“新物理”的探索打开了一扇窗。当前，标准模型中的CKM机制虽能解释部分CP破坏，但远不足以说明宇宙中为何物质大于反物质。如果在重子中存在其他来源的对称性破坏，可能暗示还有未知的粒子或力尚未被发现。
此外，这项发现也表明，重子系统的衰变行为比介子系统更加复杂，涉及更多强子物理和干涉机制。这将促使理论物理学者重新审视与重子相关的CP对称性模型，并推动未来高精度实验进一步测定各种衰变通道中的不对称性。
展望未来
未来，LHCb实验与其升级版本将继续积累更大量的数据，同时其他对撞机（如超高亮度LHC）也将加入重子物理研究行列。通过更细致的角动量分析、多体衰变幅度分解以及结合散射数据的模型独立方法，科学家希望进一步揭示隐藏在这些粒子衰变背后的量子机制。
与此同时，这项工作为寻找宇宙物质起源提供了全新视角，也提醒我们：宇宙的不完美（即对称性破坏），也许正是万物存在的根本原因。
