十余天前，北京大學(xué)物理學(xué)院院長、核物理與核技術(shù)全國重點實驗室主任高原寧院士在自己的微信朋友圈分享了一段視頻——
那是第59屆國際電弱相互作用和統(tǒng)一理論會議現(xiàn)場。會上，歐洲核子研究中心底夸克實驗（LHCb）合作組宣布“在重子衰變中觀測到電荷共軛-宇稱聯(lián)合變換對稱性（CP）破壞現(xiàn)象”，在場來自全球的科學(xué)家為之振奮，熱烈鼓掌。作為這項研究的主要完成人，北京大學(xué)物理學(xué)院2022級博士研究生楊雪婷被合作組同事引到會場講臺中央，接受大家的祝賀。
視頻下方，高原寧寫道——
“CERN新聞發(fā)布：LHCb實驗發(fā)現(xiàn)重子CP破壞。北大學(xué)生楊雪婷作為主要完成者被同事們請上C位，她的博士導(dǎo)師是張艷席老師，猜猜張艷席的導(dǎo)師是誰？”
答案不言而喻，作為張艷席的導(dǎo)師，高老師的欣喜與自豪穿過屏幕，撲面而來。重子CP破壞是在“拆CP”嗎？人類首次觀測到重子CP破壞，究竟意味著什么？為此，我們采訪了包括高原寧院士、張艷席助理教授在內(nèi)的幾位LHCb中國研究團(tuán)隊成員，試圖對這項由中國科學(xué)家主導(dǎo)的重大發(fā)現(xiàn)有所認(rèn)識。
楊雪婷被引到會場講臺中央
CP破壞是什么？
CP破壞，是個物理學(xué)名詞，又被稱為CP不守恒：C指的是電荷共軛變換（charge conjugation），P指的是宇稱變換（parity）。
高原寧曾在北京大學(xué)“博雅理學(xué)講堂”第一講的課堂上，從如何定義“左”“右”和“正”“負(fù)”引入粒子物理學(xué)中的“分立對稱性”概念，形象地向來自全校不同院系的同學(xué)們解釋道：
C就是把粒子變成它的反粒子，比如把電子變成正電子、把質(zhì)子變成反質(zhì)子；P則像是讓粒子照鏡子，它與鏡子里的粒子左右相反，呈現(xiàn)鏡像。
也就是說，這里的“CP”描述的是粒子與其反粒子在鏡像世界中的對應(yīng)關(guān)系。物質(zhì)最深處的“鏡像配對”似乎與我們熟悉的網(wǎng)絡(luò)用語“CP”（角色配對）有著一種奇妙的跨域呼應(yīng)。
按照日常生活中的經(jīng)驗，無論是電荷的正負(fù)、還是運動的左右，物理規(guī)律應(yīng)當(dāng)是完全對稱的，就像我們照鏡子一樣。但當(dāng)物理學(xué)家把目光投向微觀世界，卻發(fā)現(xiàn)這種對稱性被打破了。
1956年，李政道和楊振寧首先提出，在原子核和基本粒子之間以及基本粒子之間的弱相互作用下，宇稱守恒定律并不適用——他們因此在1957年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
物理學(xué)家本以為引入電荷共軛變換，可以修補(bǔ)“左”“右”對稱的破壞，不料，很快就發(fā)現(xiàn)無濟(jì)于事。
重子CP破壞，為什么尤為重要？
1964年，物理學(xué)家J·克羅寧和V·菲奇在中性K介子衰變中首次觀測到CP破壞——他們因此在1980年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。而后，CP破壞現(xiàn)象相繼在其他類型的介子上被發(fā)現(xiàn)。
所謂介子，指的是由一個夸克和一個反夸克組成的粒子。除此之外，物質(zhì)還會以重子的形式存在。LHCb中國團(tuán)隊成員、華中師范大學(xué)夸克與輕子物理教育部重點實驗室謝躍紅教授介紹說：
重子由三個夸克組成，是構(gòu)成宇宙可見物質(zhì)最主要的成分。其實，我們熟悉的質(zhì)子和中子都是重子。
因此，重子中是否也存在CP破壞，格外引人關(guān)注。
經(jīng)過六十多年的探索，人類終于首次觀測到了重子CP破壞現(xiàn)象。這不僅驗證了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言，更為探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理開辟了嶄新的路徑。
△粒子物理研究史中與CP破壞有關(guān)的里程碑。（圖片來源：歐洲核子研究中心LHCb合作組官網(wǎng)）
重子CP破壞，是如何被發(fā)現(xiàn)的？
LHCb中國團(tuán)隊近十年來在探索重味強(qiáng)子CP破壞方面系統(tǒng)布局，與我國理論物理學(xué)家密切配合、聯(lián)合攻堅。LHCb中國團(tuán)隊成員、清華大學(xué)工程物理系張黎明長聘副教授說：
我們中國團(tuán)隊很早就瞄準(zhǔn)了這個關(guān)鍵科學(xué)問題，與搞理論的同行一起選出10多種衰變過程進(jìn)行分析。
團(tuán)隊不斷模擬宇宙大爆炸時的情形，制造一次又一次的“小爆炸”，從產(chǎn)生的粒子中選取稀有的重子衰變過程。LHCb中國團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院錢文斌教授用一個形象的比喻來說明這項工作的難度。
就像從一大堆稻草堆里挑一根針。
“小爆炸”實驗每秒鐘都可能產(chǎn)生數(shù)以千萬記的粒子衰變事件，其中大部分是噪聲。張艷席說：
從最早的取數(shù)開始，到最終挑選出約4萬個底重子衰變和相應(yīng)4萬個左右的反底重子衰變，LHCb實驗做了10多年。
△LHCb合作組利用大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）提供的高速質(zhì)子碰撞，模擬宇宙大爆炸時的情景。碰撞中產(chǎn)生大量正、反重子，它們在極短的時間內(nèi)發(fā)生衰變。中國科學(xué)家正是在這一過程中觀測到CP破壞現(xiàn)象。（圖片來源：歐洲核子研究中心LHCb合作組官網(wǎng)）
2025年春天，對LHCb北京大學(xué)團(tuán)隊來說，是個收獲的季節(jié)：先是在底重子的三體衰變中發(fā)現(xiàn)了CP破壞可能存在的跡象，顯著性水平為3.1倍標(biāo)準(zhǔn)差，于3月12日作為編輯推薦和亮點論文發(fā)表于《物理評論快報》；而后又在底重子的四體衰變（衰變產(chǎn)物為質(zhì)子、奇異介子、正π介子和反π介子，四種粒子）中證實了重子系統(tǒng)的CP破壞，顯著性水平達(dá)到5.2倍標(biāo)準(zhǔn)差。
去年10月就去往歐洲核子研究中心參與LHCb實驗的楊雪婷，目前是北京大學(xué)物理學(xué)院的在讀博士生。談到自己在會議現(xiàn)場接受大家祝賀時，她坦言自己感到很幸運：
我的本科論文就是跟著導(dǎo)師做的這個領(lǐng)域的研究。參加LHCb實驗的幾年來，我一直在跟老師和同學(xué)們一起參與這項發(fā)現(xiàn)的檢查和校驗工作，確保我們找到了重子CP破壞的壓倒性證據(jù)。
發(fā)現(xiàn)重子CP破壞，只是第一步？
LHCb合作組發(fā)言人、意大利國家核物理研究院資深研究員文森佐·瓦尼奧尼對中國團(tuán)隊給予了高度評價：
重子CP破壞的發(fā)現(xiàn)，是粒子物理研究史中一座重要的里程碑。來自中國的LHCb實驗團(tuán)隊在這項工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這是他們長期不懈努力的成果。
隨著大科學(xué)裝置迭代升級、前沿技術(shù)集中涌現(xiàn)、實驗性能日益提升，科學(xué)家有望在更高的精度下解析CP破壞機(jī)制，重構(gòu)138億年前決定物質(zhì)存續(xù)的關(guān)鍵瞬間，早日揭開宇宙中正反物質(zhì)不對稱之謎。高原寧作為LHCb中國研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人，向我們簡要介紹了下一步研究工作：
我們希望能夠在CP破壞的實驗測量和現(xiàn)有理論的預(yù)測之間找到一些差別。完全按照現(xiàn)有理論推演，預(yù)言的宇宙物質(zhì)規(guī)模要比現(xiàn)今我們所在的宇宙小得多。
什么是LHCb合作組？
LHC指的是由歐洲核子研究中心建造、運營的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider）。它位于瑞士日內(nèi)瓦，是目前世界上規(guī)模最大、能量最高的粒子加速器裝置。
LHCb（Large Hadron Collider beauty）指的是LHC上的底夸克探測器。它的核心目標(biāo)之一是通過對重味強(qiáng)子CP破壞、稀有衰變等過程進(jìn)行高精度測量，精確檢驗粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型及探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。
LHCb合作組包括自24個國家、100家機(jī)構(gòu)的近1800名研究人員。其中國研究團(tuán)隊由來自全國十余所高校和研究機(jī)構(gòu)的師生組成，在合作組探測器研制和關(guān)鍵物理課題研究中發(fā)揮著重要作用。
北京大學(xué)自成為LHCb合作組正式成員以來，一直承擔(dān)物理研究和探測器建設(shè)的核心任務(wù)，楊振偉教授、張艷席助理教授、安劉攀助理教授等同時參與合作組管理與服務(wù)，團(tuán)隊的學(xué)術(shù)影響力和貢獻(xiàn)力日益提升。目前，北大團(tuán)隊正在與國內(nèi)外多家單位共同推進(jìn)LHCb探測器升級所需新型電磁量能器的核心研發(fā)工作，力爭在高亮度大型強(qiáng)子對撞機(jī)（HL-LHC）LHCb探測器的設(shè)計與建造中作出原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。
今年9月，LHCb合作組學(xué)術(shù)交流周LHCb Week將首次移師亞洲，在北京大學(xué)舉行。
本文鏈接：http://jphkf.cn/news-8-3464-0.html北大女生被請上C位，全球科學(xué)家鼓掌
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