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確認直接CP破壞在B介子系統中存在–臺灣團隊完成驗證

根據大爆炸理論推測:宇宙形成初期,宇宙中的正反物質應該一樣多,為何現在找不到反物質,是什麼機制造成的呢?尋找「不見反物質機制」成為科學上的尖端議題。
 
 
 
臺灣大學高能物理實驗組(臺灣貝爾團隊)的張寶棣教授和他的研究伙伴,經由收集B→K±π衰變的數據,確定直接 CP 破壞的存在,這個結論的錯誤機率小於 1.5 × 10-7。然在同一時間內他們又發現,在類似衰變 B±→K±π中有相同的 CP 破壞現象。因此證實這兩種B介子衰變的直接 CP 破壞有所不同。

反物質不見的原因與 CP 破壞有關

根據大爆炸理論推測:宇宙形成初期,宇宙中的正反物質應該一樣多,為何現在找不到反物質,是什麼機制造成的呢?尋找「不見反物質機制」成為科學上的尖端議題。1964 年,人類首次在K介子系統中發現 CP 破壞現象。1967 年,俄國物理權威沙卡洛夫(Andrei Dmitrievich Sakharov)提出一個看法:「造成不見反物質的機制應與 CP 破壞有關。」

粒子物理學家把正反物質的相互轉換稱為C(charge)對稱,左右兩邊的轉換稱為P(parity)對稱。早期觀念認為:所有物質相互作用時,經過 C 和 P 轉換以後應該是對稱的,意指「所有物質都具有 CP 對稱性」。只是事實並非如此,某些系統的 CP 硬是不對稱,也就是具有 CP 破壞性(又稱電荷宇稱不守恆)。

CP 破壞分為間接和直接兩種,在這裡以介子和反介子的衰變為例:倘若介子和反介子的衰變率一樣,只是衰變的時間分布稍微不同,就是間接的CP破壞;倘若它們的衰變率不一樣,就稱為直接的 CP 破壞。

確認B介子系統中有 CP 破壞存在

1990 年初,日本貝爾(Belle)和美國巴伯(BaBar)團隊分別斥資興建B介子工廠,希望藉由B介子實驗探討 CP 破壞。所謂B介子實驗是指「利用大型高能對撞機,以不同能量的正負電子束對撞產生B介子和反B介子(又稱B介子系統或B介子對)」。由於介子系統的壽命比一眨眼的時間還短,因此須以超高精密探測器捕捉並記錄它們的蹤跡後,再進行數值分析。2001 那年,科學界確認「間接 CP 破壞在B介子系統中存在」。

到了 2004 年,雖然貝爾和巴伯團隊量測到的數值仍有些微差距,但把兩方量測的數據合在一起,就可證實直接 CP 破壞在 B±→K±π 衰變中存在。在那以後,兩方人馬依然努力地收集更多數據,希望靠自己手上的數據就能達到驗證標準,同時又積極的找尋其他管道,看看是否存在不同的 CP 破壞現象。2006 年,臺大高能物理實驗組除驗證在 B±→K±π 中的直接 CP 破壞外,更進一步發現,在類似相同的 B±→K±π衰變中,直接 CP 破壞現象非常不同,這個發現立刻引起諸多探討與研究。為何兩者的直接 CP 破壞如此不同呢?直到現在科學界尚無定論。
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