大型強子對撞機發現「美麗粒子」 或揭開宇宙物質主宰之謎

長期以來，為何宇宙中物質遠多於反物質，一直是物理學界難解的宇宙之謎。如今，全球最大粒子加速器的一項突破性發現，可能為這個謎團帶來關鍵線索。

位於日內瓦近郊的歐洲核子研究組織（CERN）大型強子對撞機（LHC）研究團隊，首度觀測到一種名為「美麗-Λ重子」的短命粒子，其衰變速率與其反物質對應粒子存在差異。這種被稱為「電荷宇稱不守恆」（CP violation）的現象，正是解釋早期宇宙物質得以倖存的關鍵機制——若無此現象，宇宙將僅剩一片虛無。

值得注意的是，現行粒子物理標準模型預測的CP不守恆程度，遠不足以解釋現今宇宙物質的豐沛程度。更特別的是，過去科學家僅在由夸克-反夸克對組成的介子中觀測到此現象，而構成宇宙可見物質主體的三夸克重子（如質子與中子）中，卻始終未能發現。

這項開創性發現可能為探索標準模型之外的物理學開闢新途徑。研究團隊於3月24日在義大利拉圖伊爾舉行的Moriond會議上發表成果，並將未經同儕審查的論文預印本發布於arXiv平臺。

LHCb實驗發言人Vincenzo Vagnoni解釋：「觀測重子CP不守恆之所以耗時更久，關鍵在於效應強度與資料量需求。我們需要分析超過8萬次重子衰變，才首度在此類粒子中發現物質-反物質不對稱性。」

根據宇宙學標準模型，大爆炸後的初期宇宙充滿相互湮滅的物質與反物質粒子。理論上兩者應完全抵消，但科學家推測某種未知失衡——很可能與弱核力作用下的CP不守恆有關——使物質略佔上風，避免宇宙自我毀滅。

為尋找重子的CP不守恆證據，LHCb團隊仔細分析2009至2018年間數千萬億次質子對撞資料。透過追蹤美麗-Λ重子衰變產物（質子、K介子與正負π介子對）的特徵軌跡，並比對其反物質對應粒子的衰變情形，最終測得兩者衰變數量存在2.45%差異（不確定度約±0.47%），統計顯著性達5.2個標準差，超越物理學界認定新發現的「黃金標準」。

隨著此發現確立，物理學家計劃在203年LHC重啟時，繼續搜尋更多CP不守恆案例，進一步探究宇宙得以存在的關鍵機制。Vagnoni強調：「觀測越多CP不守恆系統且測量越精確，我們就越有機會檢驗標準模型並探索超越它的物理。首度在重子衰變中觀測到CP不守恆，將為相關理論與實驗研究開闢新道路，甚至可能為標準模型之外的物理學設定新限制。」

本文原刊於2025年3月31日。