北京谱仪III新成果：完成世界上最精确的正反科西超子衰变不对称性测量

来自中外的高能物理学家们利用北京正负电子对撞机上的北京谱仪(BES)III，完成了世界上最精确的正反科西超子衰变不对称性测量。同时，找到了一种全新的方法，为研究物质和反物质之间的差异提供极其灵敏的探针。中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说：“实验结果虽然没有超出理论预言，但为进一步精确测量重子衰变的CP破坏提供了新的思路，为未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。”

这一结果于2022年6月2日在国际学术期刊《自然》杂志正式刊发。

北京谱仪III探测器

国际合作组发言人、中国科学院高能物理研究所李海波研究员介绍，超子是一类重子，早期是在宇宙线实验中发现的不稳定粒子。科西超子是一种短寿命的双奇异超子，由两个奇异夸克和一个轻夸克组成，主要通过奇异夸克的弱衰变消失掉。精确测量超子和反超子衰变的不对称性，即测量超子衰变中的CP破坏是检验标准模型的重要手段。上个世纪60年代以来，国外科学家相继在K介子、B介子和D介子系统中发现CP破坏现象，这些发现都与标准模型的预言一致。但是科学家从未在重子衰变中发现过CP破坏，实验上寻找重子中的CP破坏对于理解宇宙原初反物质消失之谜有重要科学意义。

王贻芳解释说：“科学家们猜测，宇宙大爆炸时产生了物质和反物质，物质形成了我们今天的宇宙。但反物质哪里去了？有一种理论认为，反物质之所以消失了，是因为物质和反物质衰变模式存在差异，比如如果它们衰变率不一样，就可以解释为什么反物质消失了——CP破坏就与这种差异相关。CP破坏已经在介子系统中找到了实验证据，但这个总量太小了，不足以解释宇宙原初反物质消失的原因。所以，大家把寻找的希望放在了重子上，如果能在重子衰变中发现CP破坏，或许我们就能揭开反物质消失之谜。”

虽然这次实验没有发现科西超子CP破坏的证据，但为未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望——北京谱仪III实验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，使对CP破坏测量的敏感度显著提高，为寻找 CP 破坏提供了一种全新的视角。王贻芳说：“这一创新研究是超子物理方向的里程碑，解决了30年来不能同时对超子和其反粒子测量的困境。”

正反科西超子级联衰变演示图：如果物质和反物质遵循相同的物理法则，科西超子与反科西超子的衰变应该是镜像对称的，只是空间坐标是相反的。镜像之间纽带连接表示正反超子的量子关联。

BESIII探测器是我国自主研发的大型高能实验装置，吸引了来自17个国家的80家科研机构约500个科研人员，是目前国内正在运行的最大国际合作组。据介绍，BESIII合作组目前正在分析更多数据，测量精度有望将再提高三倍左右。王贻芳说：“这将是对重子CP不对称最敏感的测量，用于检验标准模型和可能的CP破坏新来源。希望我们在不远的将来能够发现超子CP破坏的实验证据，为解决反物质消失之谜作出中国贡献。”

（光明日报全媒体记者 齐芳）

来源：光明日报全媒体记者 齐芳

图片：中科院高能物理研究所提供