LHC 迄今为止最重磅的 2025 年发现：通往新物理的大门

我们所处的宇宙绝大部分由物质构成，而反物质则极为罕见，这种“物质-反物质不对称性”是现代物理学的一大未解之谜。要解释宇宙早期如何从物质与反物质几乎对等的状态演变为如今的物质主导，物理学理论要求必须满足三个条件，其中包括存在足够的“CP对称性破缺”。尽管标准模型预言了CP破缺，但其程度远不足以解释观测到的宇宙。最近，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHCb）实验首次在含b夸克的重子中观测到了CP破缺现象，这为理解物质起源的“重子生成”机制提供了关键线索，也为探索标准模型之外的新物理学打开了大门。

宇宙失衡之谜

宇宙的浩瀚令人惊叹，但我们目之所及的一切，包括行星、恒星和星系，几乎完全由物质构成，而非反物质。在宇宙大爆炸之初，能量转化为物质和反物质时，二者的数量本应是相等的。随着宇宙膨胀和冷却，它们会相互湮灭。

然而，经过所有的湮灭之后，不知为何，留下的物质远多于反物质。这就证明，在宇宙最早期一定存在某种初始的不对称性。

物理学家尚未完全揭开这种不对称性产生的具体机制。这是一个被称为重子生成（Baryogenesis）的难题，也是现代物理学最大的谜题之一。

创造物质-反物质不对称性的三大条件

为了在宇宙中创造出净增加的物质，必须同时满足由物理学家安德烈·萨哈罗夫提出的三个基本条件：

• 宇宙必须处于非平衡状态。 一个封闭、稳定、处处相同的系统无法产生净变化。不断膨胀和冷却的早期宇宙恰好提供了一个剧烈变化的非平衡环境。

• 必须存在C对称性和CP对称性破缺。 C对称性（电荷共轭）和P对称性（宇称/镜像）是粒子物理学的基本对称性。CP对称性破缺意味着粒子和其反粒子（镜像粒子）的行为规律并非完全相反。这种微小差异是产生不平衡的关键。

• 必须存在破坏重子数守恒的过程。 重子数大致可以理解为物质的“数量”。如果这个数量永远守恒，就不可能凭空创造出更多的物质。

LHCb 的突破性发现

尽管标准模型中包含了CP破缺，但其量级太小，无法解释我们今天看到的物质-反物质巨大差异。因此，物理学家一直在寻找标准模型之外的、更强烈的CP破缺来源。

• 过去的发现： 此前，CP破缺现象只在介子（由一个夸克和一个反夸克组成）中被观测到，例如含有奇夸克、粲夸克或底夸克的介子。
• 理论的预测： 理论学家多年来一直预测，CP破缺也应该存在于重子（由三个夸克组成，如构成质子和中子）中，但从未被实验证实。

直到最近，LHCb 合作组首次在重子衰变中展示了CP破缺的证据。

LHCb 实验是唯一能够精确测量含b夸克（底夸克）重子中CP破缺的探测器。他们观测到两种含有b夸克的重子在衰变为含有s夸克（奇夸克）的重子时，表现出了明显的CP不对称性。

新发现的意义：通往新物理学

这一发现意义重大，因为它首次证实了重子（构成宇宙可见物质主体的粒子）本身也存在CP破缺行为，而不仅仅是寿命短暂的介子。

• 推进重子生成之谜： 表明重子也参与CP破缺，极大地推进了我们对宇宙物质起源之谜的理解。
• 检验标准模型： 这一发现与在介子中观测到的CP破缺现象一致，但它为更精确地检验标准模型的预测和寻找新物理提供了全新的途径。
• 指向新物理： 如果未来观测到的重子CP破缺总量超过标准模型的预测，那将是存在超出标准模型的新物理学的强有力证据，可能指向全新的粒子或作用力。

这一发现为解开宇宙最根本的谜团之一铺平了道路，让我们离理解“我们为何存在”这个问题又近了一步。