使用纠缠的双奇重子探测共轭和奇偶对称性

图 1.BESIII探测器的侧视图。图片来源：IHEP

北京光谱仪（BESIII）合作报告了一种以极高灵敏度探测物质和反物质之间差异的新方法。结果于6月2日发表在《自然》杂志上。

在粒子物理学中，每一种粒子都有相应的反粒子。标准的大爆炸理论告诉我们，宇宙在开始时应该有相同数量的物质和反物质。然而，所有可用的数据都表明，可观测的宇宙主要由重子而不是反重子组成，这已经困扰了科学界半个多世纪。物质和反物质遵循不同的物理定律吗？

如今，物理学家认为，为了解释重子-反重子不对称的动态起源，物理定律必须适应违反电荷共轭和奇偶性（CP）对称性的过程。简而言之，CP对称性意味着粒子和反粒子遵循相同的定律。例如，粒子和反粒子的衰变模式应该是相同的。为了解释重子-反重子不对称性，CP对称性必须被破坏到比迄今为止非常成功的粒子物理学标准模型所预测的更大的数量。

BESIII合作的研究人员利用奇怪的重子来揭示CP违规。奇怪的重子由三个夸克组成，就像质子一样，但包含一个或多个更重且不稳定的奇夸克。通过观察奇夸克的衰变，可以确定重子的自旋方向。

图 2.对重子-反重子对衰变级联的艺术解释。如果物质和反物质遵循相同的定律，重子的衰变模式应该与反重子相同，但具有倒置的空间坐标。图片来源：IHEP

在BESIII，双奇重子-反重子对的系统是在正电子湮灭中产生的。新结果表明，产生的重子-反重子对具有首选方向。

此外，由于量子纠缠，重子和反重子的自旋方向是相关的。研究这种系统的衰变产物的角分布，可以将贡献与CP违规过程分开，这些过程由所谓的弱相的非零值描述。这个阶段从未被直接测量过，直到BESIII按照《自然》文章所述得出这一结果。

虽然在分析的数据样本中没有观察到CP违规的迹象，但这种实验方法可以应用于在BESIII或未来设施中收集的更大的数据集。研究人员希望观察到CP违规信号的大小，该信号要么确认要么排除标准模型预测。

BESIII实验由位于我国北京的中国科学院高能物理研究所主办，于2009年启动。BESIII是一个国际合作项目，由来自亚洲、欧洲和美洲17个不同国家的约500名物理学家组成。