物 質(zhì) 世 界 的 對(duì) 稱 性 破 缺
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 邢志忠 周順 關(guān)鍵詞 自發(fā)對(duì)稱性破缺 CP對(duì)稱性破壞 宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱 1956年，李政道和楊振寧提出了弱相互作用過(guò)程中的宇稱不守恒，而此前人們普遍認(rèn)為物理規(guī)律具有坐標(biāo)反演或鏡像對(duì)稱,即宇稱P應(yīng)該是一個(gè)守恒的量子數(shù)。1957年吳健雄等科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在弱相互作用中宇稱發(fā)生大程度的破缺，從而驗(yàn)證了李政道和楊振寧的假說(shuō)。考慮到弱相互作用中也不存在電荷共軛變換C的不變性,一些理論家猜想C和P的聯(lián)合變換也許是弱相互作用的守恒量。可是，這一觀點(diǎn)在1964年被證明是錯(cuò)誤的，因?yàn)?/span>科洛恁和費(fèi)馳等人在奇異介子的衰變實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到了微小的CP破壞效應(yīng)。 2008年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美籍日本理論物理學(xué)家南部陽(yáng)一郎和日本理論物理學(xué)家小林誠(chéng)與益川敏英。南的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了亞原子物理學(xué)中的對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制,小林和益川的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了弱電規(guī)范相互作用中CP對(duì)稱性破壞的起源，并由此預(yù)言自然界中存在三代夸克。 1.南部與對(duì)稱性自發(fā)破缺 1911年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)表了一個(gè)驚人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:當(dāng)溫度降到4.2K時(shí),水銀的電阻突然消失了。他將物質(zhì)的這種特性稱為超導(dǎo)電性。1933年，德國(guó)物理學(xué)家邁斯納和奧克森菲爾德發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有完全抗磁性,即處在外磁場(chǎng)中的超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度為零。基于已有的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和已提出的唯象模型,美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫(kù)珀和施里弗在1957年提出了解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論(BCS理論)。簡(jiǎn)單來(lái)講,超導(dǎo)體內(nèi)部物理機(jī)制的描述可以歸結(jié)為電子和金屬離子之間的電磁相互作用：在費(fèi)米面附近的電子之間可以存在相互吸引的作用力,它由交換聲子(即晶格振動(dòng)的量子)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)電子之間的這種相互吸引力超過(guò)庫(kù)侖排斥力的時(shí)候,它們便結(jié)合成對(duì)（稱庫(kù)珀對(duì)）。庫(kù)珀對(duì)在動(dòng)量空間的凝聚導(dǎo)致超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間產(chǎn)生有限的能隙，物質(zhì)的超導(dǎo)狀態(tài)就是這些庫(kù)珀對(duì)的群體效應(yīng)。 1959年,南部試圖從量子場(chǎng)論的角度來(lái)理解BCS超導(dǎo)理論。他認(rèn)為超導(dǎo)體內(nèi)部的電子和金屬離子之間是電磁相互作用,后者可以用阿貝爾規(guī)范理論來(lái)描述,于是應(yīng)考慮BCS理論是否規(guī)范不變? 超導(dǎo)體中的庫(kù)珀對(duì)是自旋相反的兩個(gè)電子,總電荷為-2e,即該系統(tǒng)的基態(tài)破壞規(guī)范不變性。南部發(fā)現(xiàn)從BCS理論推導(dǎo)出超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)依賴于規(guī)范的選擇,而實(shí)際上所有的結(jié)論都可以通過(guò)與規(guī)范無(wú)關(guān)的方式得到。這個(gè)分析是理論物理學(xué)家利用對(duì)稱性來(lái)理解超導(dǎo)現(xiàn)象所邁出的重要一步，正如著名理論家溫伯格強(qiáng)調(diào)的那樣,超導(dǎo)現(xiàn)象背后的物理機(jī)制是對(duì)稱性及其破缺,理解超導(dǎo)理論的關(guān)鍵在于對(duì)稱性的自發(fā)破缺：我們只要假設(shè)存在U(1)連續(xù)對(duì)稱性的規(guī)范理論自發(fā)破缺到Z2子群,就可以推導(dǎo)出邁斯納效應(yīng)等超導(dǎo)現(xiàn)象。 在BCS理論建立的同一年,費(fèi)曼和蓋爾曼提出了弱相互作用的V-A理論。他們指出,如果強(qiáng)子部分的矢量流守恒,那么在μ輕子衰變和費(fèi)米型β衰變中的弱相互作用耦合常數(shù)的一致性就很容易理解。他們進(jìn)一步猜想軸矢流可能也是守恒的。隨后的理論研究表明,軸矢流守恒導(dǎo)致的結(jié)果可以被實(shí)驗(yàn)排除,因?yàn)棣薪樽铀プ兊綆щ娸p子或中微子的過(guò)程是禁戒的。1960年2月,南部向美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》提交了一篇僅一頁(yè)半的論文,指出軸矢流守恒可在π介子質(zhì)量為零的極限情況下得到。他在文中最后寫道：“如果重子是由一些基本的費(fèi)米場(chǎng)ψ組成,而費(fèi)米場(chǎng)在變換ψ※exp(iε·τγ5)ψ下是不變的,那么就會(huì)出現(xiàn)守恒的軸矢流。”由此可以看出，南部猜測(cè)重子可能有更深層次的結(jié)構(gòu),這比蓋爾曼和茨威格正式提出強(qiáng)子的夸克模型早了近四年。南部還類比了超導(dǎo)的BCS理論,指出“超導(dǎo)現(xiàn)象中的規(guī)范不變性、能隙和集體激發(fā)在這里可以替換成γ5變換不變性、重子質(zhì)量和介子。有意思的是,贗標(biāo)介子作為束縛態(tài)會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)在理論中?！?span lang="EN-US">1960年10月,南部與其意大利合作者約納·拉西尼奧對(duì)上述問(wèn)題做了進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)有質(zhì)量為零或近似為零的贗標(biāo)量粒子出現(xiàn)時(shí),就意味著理論中一個(gè)精確的或近似的對(duì)稱性自發(fā)破缺了。這一系列工作表明 究竟什么是對(duì)稱性自發(fā)破缺?考慮一個(gè)無(wú)窮維的物理體系,如果該系統(tǒng)的拉氏量在某個(gè)對(duì)稱群變換下保持不變,當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到不滿足這種對(duì)稱性的基態(tài)時(shí),我們就稱之為系統(tǒng)的對(duì)稱性發(fā)生了自發(fā)破缺。例如,鐵磁材料在居里溫度之上因?yàn)闆](méi)有磁化而具有空間旋轉(zhuǎn)不變性,這時(shí)描述鐵磁體的原子理論同樣具有這種對(duì)稱性。當(dāng)溫度降到居里溫度以下,鐵磁體出現(xiàn)某個(gè)方向的磁化,于是三維空間的旋轉(zhuǎn)不變性被破壞,即系統(tǒng)的對(duì)稱性出現(xiàn)了自發(fā)破缺。超導(dǎo)體是由電磁相互作用來(lái)描述的,這里規(guī)范對(duì)稱群是定域的U(1)群,帶電荷q的費(fèi)米場(chǎng)依照ψ※exp(iqΛ)ψ的形式變換。由于q必然是電子電荷e的整數(shù)倍,所以相位Λ和(Λ+2π/e)可以認(rèn)為是等價(jià)的。當(dāng)該體系處于超導(dǎo)態(tài)時(shí),庫(kù)珀對(duì)電荷數(shù)為2,而且其在基態(tài)的真空期望值不為零,所以系統(tǒng)此時(shí)只有包含對(duì)應(yīng)Λ=0和Λ=π/e變換的對(duì)稱群,即Z2循環(huán)群。 1961年,英國(guó)理論家哥德斯通發(fā)表了一篇題為“具有超導(dǎo)解的場(chǎng)論”的文章。他指出,在量子場(chǎng)論中當(dāng)系統(tǒng)的拉氏量的連續(xù)對(duì)稱性自發(fā)破缺時(shí),會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量為零的玻色子。雖然哥徳斯通只是舉例說(shuō)明了零質(zhì)量粒子的出現(xiàn),但他認(rèn)為這個(gè)結(jié)論是一般成立的。這個(gè)重要的猜想在1962年得到哥德斯通、薩拉姆和溫伯格嚴(yán)格地證明，因而對(duì)這類伴隨對(duì)稱性自發(fā)破缺的零質(zhì)量粒子稱為南部-哥德斯通玻色子。南部和約那·拉茲尼奧的文章主要討論的是強(qiáng)相互作用和近似手性對(duì)稱的自發(fā)破缺,其中質(zhì)量很輕的介子為贗南部-哥德斯通玻色子。應(yīng)該注意的是,這里的介子與湯川理論中的大不相同,后者是傳遞強(qiáng)相互作用的媒介,而南部的模型中所討論的介子是束縛態(tài)。 對(duì)稱性的自發(fā)破缺之所以重要,是因?yàn)樗苯右龑?dǎo)了弱電相互作用標(biāo)準(zhǔn)模型的建立。1964年,英國(guó)理論家希格斯等人發(fā)現(xiàn),如果系統(tǒng)具有連續(xù)的局域?qū)ΨQ性（規(guī)范對(duì)稱性）,那么該對(duì)稱性的自發(fā)破缺并不會(huì)引入質(zhì)量為零的南部-哥德斯通玻色子,而是使相應(yīng)的規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量。按照這種觀點(diǎn)的規(guī)范對(duì)稱性自發(fā)破缺形式，后來(lái)被稱作希格斯機(jī)制。其實(shí)，基于連續(xù)群SU(2)的規(guī)范理論早在1954年就由楊振寧和米爾斯提出來(lái)了。由于當(dāng)時(shí)都認(rèn)為弱相互作用只可能是由有質(zhì)量的規(guī)范玻色子傳遞,在拉氏量中加入規(guī)范場(chǎng)的質(zhì)量項(xiàng)是破壞規(guī)范的不變性，致使他們的工作在近十年的時(shí)間都沒(méi)有引起重視。現(xiàn)在希格斯機(jī)制正好提供了一種利用對(duì)稱性自發(fā)破缺產(chǎn)生規(guī)范玻色子質(zhì)量的可能性。1967年,溫伯格首次完整地建立了用SU(2)L/U(1)Y規(guī)范理論結(jié)合希格斯機(jī)制來(lái)統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁相互作用的模型,也就是現(xiàn)在被稱作弱電統(tǒng)一理論的標(biāo)準(zhǔn)模型。為了實(shí)現(xiàn)規(guī)范對(duì)稱性的自發(fā)破缺,溫伯格引進(jìn)了一個(gè)在SU(2)群變換下的標(biāo)量二重態(tài),含有四個(gè)新的自由度。當(dāng)弱電對(duì)稱性自發(fā)破缺后,規(guī)范玻色子吸收掉三個(gè)南部-哥德斯通粒子(對(duì)應(yīng)于群的生成元)而獲得質(zhì)量,剩余的自由度對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)量粒子,叫做希格斯粒子。弱電統(tǒng)一理論與描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)一起被稱為基本粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。當(dāng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的規(guī)范玻色子已在實(shí)驗(yàn)中全部被發(fā)現(xiàn),僅有被稱作“上帝粒子”的希格斯粒子還沒(méi)有找到。歐洲核子研究中心(CERN)所建大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，一個(gè)主要的物理目標(biāo)就是尋找希格斯粒子和驗(yàn)證弱電規(guī)范對(duì)稱性自發(fā)破缺。 2.小林-益川CP破壞機(jī)制 盡管溫伯格早在1967年就提出了關(guān)于輕子的弱電規(guī)范相互作用理論,但他的論文在隨后四年時(shí)間內(nèi)卻沒(méi)有得到學(xué)術(shù)界的任何關(guān)注和引用。1971年和1972年,年輕的荷蘭物理學(xué)博士生特·霍夫特巧妙地證明了溫伯格理論的可重整性,后者才受到廣泛重視,并逐漸發(fā)展成為描述電磁和弱相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型。如今溫伯格那篇發(fā)表于1967年、僅有一頁(yè)半長(zhǎng)度的歷史性文章已被引用六千六百余次,是基本粒子物理學(xué)領(lǐng)域被引用率最高的學(xué)術(shù)論文。 小林和益川獲2008年諾獎(jiǎng)的論文《弱相互作用可重整化理論中的CP對(duì)稱性破壞》僅有短短六頁(yè), 完成于1972年9月（當(dāng)時(shí)兩人都在京都大學(xué)從事博士后研究），于1973年2月發(fā)表在日本本土的專業(yè)物理學(xué)雜志《理論物理學(xué)進(jìn)展》上。小林和益川把溫伯格模型推廣到強(qiáng)子系統(tǒng),但他們當(dāng)時(shí)并沒(méi)有采用夸克語(yǔ)言來(lái)描述強(qiáng)子的組分,只是使用了相類似的符號(hào)。以下面將采用現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的輕子和夸克語(yǔ)言來(lái)描述標(biāo)準(zhǔn)模型和小林與益川的CP對(duì)稱性破壞機(jī)制。 小林和益川的基本物理思想是找出標(biāo)準(zhǔn)弱電相互作用理論中CP對(duì)稱性破壞的來(lái)源。我們知道，除了CP守恒的動(dòng)能項(xiàng)之外,描述基本粒子弱電相互作用的拉氏量在形式上包含五項(xiàng)： L=LG， f+LH， f+LG， H+LG+LH 其中G代表規(guī)范玻色子場(chǎng)、H代表希格斯場(chǎng)、f代表費(fèi)米子(輕子和夸克)場(chǎng)。整個(gè)拉氏量滿足定域的SU(2)L/U(1)Y規(guī)范對(duì)稱性。我們可以先對(duì)矢量場(chǎng)G、標(biāo)量場(chǎng)H和旋量場(chǎng)f的宇稱(P)和電荷共軛(C)變換的性質(zhì)做適當(dāng)?shù)募s定,然后檢驗(yàn)L的每一項(xiàng)是否滿足CP聯(lián)合變換的不變性。結(jié)果表明,規(guī)范場(chǎng)的自相互作用項(xiàng)LG、希格斯場(chǎng)的自相互作用項(xiàng)LH、規(guī)范場(chǎng)與希格斯場(chǎng)的相互作用項(xiàng)LG,H以及規(guī)范場(chǎng)和費(fèi)米子場(chǎng)的相互作用項(xiàng)LG,f均可滿足CP對(duì)稱性。唯有希格斯場(chǎng)與費(fèi)米子場(chǎng)的相互作用項(xiàng)LH,f,即通常所謂的湯川相互作用項(xiàng),可能會(huì)破壞C和P聯(lián)合變換的不變性。當(dāng)弱電規(guī)范對(duì)稱性自發(fā)破缺后,湯川相互作用項(xiàng)LH,f演變成帶電輕子和夸克的質(zhì)量項(xiàng)，對(duì)應(yīng)于M-1(電荷-e的輕子)、M+2/3(電荷+2e/3的夸克)和M-1/3(電荷-e/3的夸克)三個(gè)質(zhì)量矩陣。【由于標(biāo)準(zhǔn)模型中不含有右手中微子且假設(shè)輕子數(shù)守恒,故中微子質(zhì)量為零。近年來(lái)的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)表明,中微子存在微小的靜止質(zhì)量并且輕子家族之間存在很顯著的混合,因而輕子部分可能也存在CP不守恒效應(yīng)。這里我們的討論只限于夸克質(zhì)量、夸克混合與CP對(duì)稱性破壞。】由于中微子質(zhì)量為零,總可以通過(guò)適當(dāng)?shù)溺壅儞Q把M-1轉(zhuǎn)化成實(shí)矩陣,因此帶電輕子的質(zhì)量項(xiàng)在場(chǎng)的CP變換下是不變的。對(duì)夸克質(zhì)量矩陣M+2/3和M-1/3而言,夸克場(chǎng)的CP變換將導(dǎo)致M+2/3變?yōu)?span 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? 對(duì)稱性可以作為工具幫助我們理解自然規(guī)律,比如,時(shí)間(空間)平移不變性意味著能量(動(dòng)量)守恒,而空間旋轉(zhuǎn)不變性對(duì)應(yīng)于角動(dòng)量守恒。然而，自然界中的對(duì)稱性絕大部分是破缺的。
需要注意的是,在拉氏量L中出現(xiàn)的夸克場(chǎng)是弱相互作用本征態(tài)而非質(zhì)量本征態(tài)。通過(guò)幺正變換V+2/3M+2/3U+2/3和V-1/3M-1/3U-1/3分別把質(zhì)量矩陣M+2/3和M-1/3對(duì)角化,我們進(jìn)而可以把兩個(gè)夸克質(zhì)量項(xiàng)分別用相應(yīng)的夸克質(zhì)量本征值和本征態(tài)來(lái)表示。這樣的基變換使得夸克質(zhì)量項(xiàng)不再破壞CP對(duì)稱性,但同時(shí)使得從LG,f項(xiàng)經(jīng)過(guò)弱電對(duì)稱性自發(fā)破缺而衍生出來(lái)的帶電流相互作用項(xiàng)LW±(描述W±規(guī)范粒子與不同電荷的夸克之間的相互作用)依賴于一個(gè)幺正矩陣VCKM=V +2/3V-1/3。該幺正矩陣就是夸克混合矩陣,通常被稱作CKM矩陣（C代表意大利理論家卡比堡,K和M分別代表小林和益川）。倘若VCKM包含不平庸的復(fù)相位,那么LW±在CP變換下將是不守恒的。換句話說(shuō),VCKM是否為實(shí)矩陣決定了標(biāo)準(zhǔn)弱電模型是否具有CP不變性。
當(dāng)卡比堡于1963年引入著名的卡比堡角來(lái)解釋夸克弱相互作用本征態(tài)與質(zhì)量本征態(tài)之間的不匹配時(shí),他實(shí)際上相當(dāng)于取了上面的VCKM為2×2的實(shí)正交矩陣,因而相應(yīng)的LW±項(xiàng)并不破壞整個(gè)理論的CP不變性。小林和益川發(fā)表于1973年的文章直接從拉氏量出發(fā),在逐一檢查了各個(gè)相互作用項(xiàng)的CP變換性質(zhì)之后,把可能的CP破壞的根源歸結(jié)于帶電流相互作用中的VCKM。他們發(fā)現(xiàn),如果只存在兩代四個(gè)夸克,那么VCKM總可以通過(guò)重新定義非物理的夸克場(chǎng)相位而轉(zhuǎn)變成一個(gè)2×2的實(shí)正交矩陣。他們進(jìn)一步指出,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)弱電模型包含三代六個(gè)夸克時(shí),3×3的幺正矩陣VCKM可以被三個(gè)歐拉角和一個(gè)復(fù)相位參數(shù)化,后者就是CP破壞的來(lái)源。事實(shí)上,第四個(gè)夸克(電荷為+2e/3的夸克)直到1974年11月才分別被丁肇中和瑞克特領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn),而第三代的b夸克(電荷為-e/3)和t夸克(電荷為+2e/3)則分別于1977年和1995年在高能物理實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)。至于CP破壞本身的實(shí)驗(yàn)證據(jù),可以追溯到1964年科洛恁和費(fèi)馳等人首次在KL※π+π-衰變中觀測(cè)到微小的CP破壞效應(yīng)。隨后人們?cè)谥行院蛶щ?span lang="EN-US">K介子的其他衰變道中也發(fā)現(xiàn)了微小的CP不守恒現(xiàn)象。根據(jù)小林和益川的CP不守恒機(jī)制,更為明顯的CP破壞效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)在B※J/ΧKS等B介子衰變中。這一理論預(yù)言于2000年至2001年期間在美國(guó)SLAC和日本KEK的B介子工廠中被可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)所證實(shí)。如今VCKM矩陣中的三個(gè)夸克混合角和一個(gè)CP破壞復(fù)相位都得到了相當(dāng)精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并且不同的測(cè)量方式所取得的結(jié)果相互自洽。瑞典皇家科學(xué)院諾獎(jiǎng)的評(píng)價(jià)是“發(fā)現(xiàn)了破缺的對(duì)稱性之根源,從而預(yù)言了自然界中至少存在三代夸克”。小林和益川的獲獎(jiǎng)?wù)撐闹链吮粚W(xué)術(shù)界引用5500余次,在高能物理領(lǐng)域之論文中排名第二,僅次于溫伯格的獲獎(jiǎng)?wù)撐摹?span lang="EN-US">
3.宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱
盡管小林和益川的CP對(duì)稱性破壞機(jī)制取得了成功,但是它卻不讠足以解釋可觀測(cè)宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱現(xiàn)象。后者可以被看作宇觀尺度的CP對(duì)稱性破壞。如何在大爆炸模型的框架之內(nèi)以動(dòng)力學(xué)的方式令人信服地解釋宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱?這是當(dāng)今基本粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的最重大前沿課題之一。
反物質(zhì)概念最早由英國(guó)物理學(xué)家狄拉克于1928年提出，他建立了描寫自旋粒子的相對(duì)論運(yùn)動(dòng)方程(即著名的狄拉克方程),并由此預(yù)言了正電子的存在。1932年，安德森在研究宇宙線中發(fā)現(xiàn)了正電子。1933年，狄拉克在諾獎(jiǎng)禮上對(duì)物質(zhì)與反物質(zhì)之間的對(duì)稱性做了精彩的表述。他說(shuō)：“如果我們?cè)谘芯孔匀唤绲幕疚锢硪?guī)律時(shí)接受粒子與反粒子完全對(duì)稱的觀點(diǎn),我們就必須認(rèn)定地球上乃至整個(gè)太陽(yáng)系主要包含電子和質(zhì)子的事實(shí)純屬偶然。很有可能在一些其他的星球上情況正好相反,即這些星球主要是由正電子和反質(zhì)子構(gòu)成的。實(shí)際情況也許是,半數(shù)的星球由物質(zhì)組成,而另外半數(shù)的星球由反物質(zhì)組成。這兩類星系的光譜完全相同,目前的天文觀測(cè)手段無(wú)法區(qū)分它們?！?/span>狄拉克這番話代表了一個(gè)新宇宙觀的誕生，即整個(gè)宇宙包含等量的物質(zhì)與反物質(zhì),而兩者之間是嚴(yán)格對(duì)稱的。
然而，迄今為止的天文學(xué)觀測(cè)并不支持狄拉克的假說(shuō)。探測(cè)宇宙中的反物質(zhì)有兩種途徑：
首先,如果存在反物質(zhì)組成的星系,我們應(yīng)該能夠在宇宙線中觀測(cè)到反質(zhì)子和反原子核,就象我們觀測(cè)宇宙線中存在的質(zhì)子和原子核一樣。然而,我們從未在宇宙線中發(fā)現(xiàn)反原子核。雖然我們?cè)谟钪婢€中觀測(cè)到了正電子、反質(zhì)子和反中子,這些反粒子實(shí)際上是通過(guò)質(zhì)子或原子核與星系氣體以及地球大氣層相碰撞而產(chǎn)生的,它們的數(shù)量與理論計(jì)算相符合。
其次,在物質(zhì)與反物質(zhì)相接的區(qū)域,質(zhì)子和反質(zhì)子的湮滅反應(yīng)一定會(huì)發(fā)生,從而產(chǎn)生若干帶電及中性的π介子。這些π介子最終衰變成γ光子、電子、正電子、中微子和反中微子。其中γ光子的譜線很特別,其能量應(yīng)在150MeV附近取最大值。可是天文學(xué)觀測(cè)并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種特殊的γ光子能譜。
因此物理學(xué)家和天文學(xué)家得出結(jié)論:半徑大約為100億光年的可觀測(cè)宇宙基本上不含有反物質(zhì),即其整體上不存在物質(zhì)與反物質(zhì)的對(duì)稱性。換句話說(shuō),宇宙的重子(即質(zhì)子和中子)與反重子(即反質(zhì)子和反中子)不對(duì)稱確實(shí)存在,盡管它們?cè)诖蟊ㄖ鯌?yīng)該是成對(duì)或等量產(chǎn)生的。
前蘇聯(lián)的氫彈之父薩哈羅夫在1967年指出,宇宙的重子與反重子不對(duì)稱可能并不依賴于大爆炸的初始條件,而是從開(kāi)始的對(duì)稱狀態(tài)通過(guò)動(dòng)力學(xué)過(guò)程演變成后來(lái)的完全不對(duì)稱狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)這樣的動(dòng)力學(xué)演變，有三個(gè)必要條件，即重子數(shù)破壞、CP對(duì)稱性破壞和熱平衡的偏離。弱電相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型原則上滿足上述所有三個(gè)條件,但它無(wú)法解釋可觀測(cè)宇宙的重子數(shù)不對(duì)稱之謎(通常用重子數(shù)與光子數(shù)之比nB/nγ≈6.1×10-10來(lái)定量描述)。究其原因有兩點(diǎn):①.由于除了t夸克以外的其他五個(gè)夸克的質(zhì)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于弱電相變的臨界溫度,所以小林-益川機(jī)制所能給出的與宇宙的重子數(shù)不對(duì)稱相關(guān)的CP破壞效應(yīng)太小,僅為10-19的數(shù)量級(jí);②.由于實(shí)驗(yàn)已經(jīng)給出希格斯粒子的質(zhì)量下限為114GeV,這意味著弱電相變的實(shí)現(xiàn)只能是次級(jí)效應(yīng),因此弱電反常的輕子數(shù)加重子數(shù)破壞過(guò)程會(huì)始終很強(qiáng)烈,從而沖刷掉重子與反重子之間的不對(duì)稱。毫無(wú)疑問(wèn),合理解釋可觀測(cè)宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱現(xiàn)象需要超出小林-益川CP破壞機(jī)制的新理論。
國(guó)內(nèi)外的理論家和實(shí)驗(yàn)家長(zhǎng)期以來(lái)一直致力于尋找新的CP破壞之源。有關(guān)研究工作表明,超重的馬約拉納中微子的混合與衰變可望提供足夠大的CP破壞效應(yīng)并導(dǎo)致宇宙的輕子數(shù)不對(duì)稱。這過(guò)程隨著宇宙的演化和冷卻最終形成重子數(shù)不對(duì)稱,從而合理地回答為什么我們今天生活在物質(zhì)世界而不是反物質(zhì)世界這樣一個(gè)令人費(fèi)解的基本問(wèn)題。這就是著名的Baryo-genesisviaLeptogenesis機(jī)制,由日本物理學(xué)家福來(lái)正孝和柳田勉在1986年提出。
4.展望
人們期待著在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子,給粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型劃上一個(gè)圓滿的句號(hào)。然而,很多理論物理學(xué)家卻認(rèn)為情況遠(yuǎn)沒(méi)有想象中的那么樂(lè)觀,建立完整的粒子物理學(xué)理論還有很長(zhǎng)的一段路要走。
首先,雖然描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)在高能區(qū)和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)一致,但是如何理解低能區(qū)的夸克禁閉現(xiàn)象和強(qiáng)子的性質(zhì)?因此，我們希望將來(lái)強(qiáng)相互作用的非微擾理論在更快更準(zhǔn)確的格點(diǎn)計(jì)算的幫助下可以有所突破。
其次,質(zhì)量的起源問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)都是困擾物理學(xué)家的重大難題,標(biāo)準(zhǔn)模型雖然預(yù)言費(fèi)米子通過(guò)湯川相互作用在弱電規(guī)范對(duì)稱性自發(fā)破缺后獲得質(zhì)量,但關(guān)鍵的希格斯粒子卻至今沒(méi)有被找到。中微子振蕩實(shí)驗(yàn)告訴我們中微子是有質(zhì)量的,這是唯一超出標(biāo)準(zhǔn)模型且有充足實(shí)驗(yàn)證據(jù)的新物理。也許將來(lái)LHC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以啟發(fā)我們找到正確的質(zhì)量產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。
第三,宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱的產(chǎn)生仍然沒(méi)有答案。如果標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞機(jī)制不足以解釋我們?yōu)槭裁创嬖?span lang="EN-US">,那么是否存在新的CP破壞機(jī)制呢?此外,暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么?超高能宇宙線的起源是什么?所有這些和其他基本問(wèn)題都有待于我們的深入研究和探索。隨著天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測(cè)的蓬勃發(fā)展,人類對(duì)物質(zhì)世界及其基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)將必然會(huì)有重大進(jìn)展。
（2008年11月14日）
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