解密宇宙不對稱之謎：美麗夸克的衰變

宇宙中存在大量的物質，卻只有極少量的反物質。這幾乎是生命存在的必要條件，因為如果沒有辦法將兩者分開，一個物質與反物質數量相等的宇宙最終會因為粒子不斷相遇並湮滅而變得空無一物。然而，我們至今仍無法完全解釋這種差異為何存在。在大多數情況下，物質與反物質粒子是對稱的，這意味著產生或消滅其中一種的過程，也會同時產生或消滅等量的另一種。

然而，我們所見的宇宙顯然並非如此。這表示在某個層面上，對稱性被打破了——可能是某些機制創造了更多的物質，或是消滅了更多的反物質。過去幾十年來，我們已經觀察到一些對稱性被破壞的跡象，例如某些粒子衰變過程違反了對稱性，但這些例子通常只造成微量的物質過剩，無法解釋宇宙中觀察到的不平衡現象。

為了尋找更多對稱性被破壞的證據，大型強子對撞機（LHC）進行了「美麗實驗」，旨在測試相關理論並發現新的對稱性破壞現象。最近，兩篇分析實驗結果的論文報告了新的對稱性破壞案例。

在2011至2012年間，LHC以極高的能量將質子對撞，產生了大量不穩定的粒子，這些粒子隨後衰變成其他粒子。其中，某些含有「魅夸克」和「美麗夸克」的粒子特別引人注目——科學家在為這些微小到無法直接觀察的粒子命名時，似乎帶了點幽默感。實驗發現，部分由美麗夸克組成的粒子在衰變過程中展現了兩種新的對稱性破壞現象。

介子是一種由等量夸克和反夸克組成的次原子粒子。它們不會互相湮滅，因為它們並非直接對應的粒子。例如，π⁺ 介子由一個上夸克和一個下反夸克組成。由於下夸克（或反夸克）的質量是上夸克的兩倍以上，下反夸克無法抵消上夸克，只能抵消下夸克。儘管如此，介子的衰變速度非常快，這為對稱性被破壞提供了關鍵機會。

其中一篇論文研究了帶電美麗介子的衰變過程。這些介子由一個美麗夸克與一個上、下、奇異或帶電反夸克組成，或者由一個這些夸克與一個美麗反夸克組成。如果宇宙是完全對稱的，這兩種情況應該相同，但實驗結果顯示它們的衰變速率並不一致。反物質的衰變速度比物質更快，這正是尋找對稱性破壞現象時所期待的結果。

另一篇論文則發現了另一種對稱性破壞的例子，這次發生在美麗重子上。重子最初被認為是由三個夸克組成的粒子，而美麗重子中至少有一個夸克必須是美麗夸克，另外兩個則可以是其他種類的夸克。美麗重子也會衰變，通常變成另一個重子和兩個帶電K介子。

在LHC的實驗中，這些重子的衰變速率再次顯示出對稱性被破壞的現象，具體取決於衰變過程中涉及的是美麗夸克還是反夸克。這是首次在重子中觀察到這種現象，意義重大，因為粒子物理學的標準模型預測了這一結果，但此前從未在實驗中得到證實。研究人員還探討了衰變過程中的中間階段是否可能導致這種現象，但並未找到相關證據。

其中一篇研究已發表在《物理評論快報》上，另一篇也已提交發表，並可在預印本平臺上閱讀。