奇异粒子的奇异行为

时间:2024-12-01 22:08:06

原始的对立宇宙力是一种正反的统一,这个概念在中国古代哲学中被称为阴和阳:阴象征着阴影面、狡诈以及左手;阳象征着朝阳面、正直和右手。物质和反物质也具有一些类似的神奇对称性,就像我们所看到的,它们也和阴阳一样具有一些深奥的不对称性。乍一看,它的光明和黑暗是完美对应的,但是通过更细致的观察会发现这种对称并非如此简单明显。(见图7.1)

奇异粒子的奇异行为

图7.1 阴阳符号以及其负相的镜像

第5章中我们介绍了玻色子,由一个夸克和一个反夸克构成。在数百种玻色子中,有一种能够显示出物质和反物质之间的绝对区别。这是一个奇异粒子,称为中性K介子,在粒子物理表中表示为K0 。它包含不同类型的一个夸克和一个反夸克,电荷总和为零。一个下夸克和一个奇异反夸克形成了K0 。交换物质和反物质,你会得到一个奇异夸克和一个下反夸克,最终产生一个反版的K0 (之后我们用K 0 表示)。

1964年,人们发现了一些线索,显示K0 和它的反粒子似乎有些特殊。在纽约的布鲁克海文实验室,有一个实验专门用来测量对称性质,被称为CP--实际上就是交换电荷并镜像观看。在那之前,所有人都相信物质和反物质会表现相同:CP会证明自然法则的“对称”。然而,出乎所有人的预料,实验结果并非如此。当吉姆·克罗尼(Jim Cronin)和维尔·菲奇(Val Fitch)因此获得诺贝尔奖时,一份瑞典报纸的头条写道:今年的物理学奖授予了发现“自然法则之谬误!”自然法则其实并没有错,只是人们发现它比之前想象的更加微妙了。

今天我们对于自然的理解更加深入。我们甚至已经找到了方法来显示K0 和它的时间反转下反粒子之间的不对称。

奇异夸克的质量比下夸克大,但二者非常接近,几乎相同。因此,一个奇异夸克可以褪去一些能量然后转化成下夸克;类似地,一个反奇异夸克也可以转化成反下夸克。倒过来,如果一个下夸克或反下夸克吸收能量,就会像吃了士力架一样变成奇异夸克或反奇异夸克。对于K0 和K 0 而言,这又有一些更加深奥的含义;它们总是不停地切换性质,就像哲基尔医生(Dr.Jekyll)和海德先生(Mr.Hyde)一样 。

在哲基尔模式下,下夸克和反奇异夸克进行组合。反奇异夸克会丢失能量然后转化成反下夸克;有时这些能量会泄露并引起K介子衰变,但也可能被附近的下夸克吸收,从而将下夸克转化成奇异夸克。这种情况下,开始是下夸克和反奇异夸克,最后却转化成了奇异夸克和反下夸克:一个K0 哲基尔变成了一个K 0 海德。(见图7.2)

奇异粒子的奇异行为

图7.2 哲基尔和海德模式的K0 。由d(下)夸克或s(奇异)夸克与对应的反夸克构成的K介子和反K介子(分别在符号上方加上标横线来表示反夸克)。图中表示了C 效应(夸克转化成其“负相”反夸克)和P 效应(镜像反转)。最终一个K介子转化成了一个反K介子。

这意味着K0 和K 0 可以前后交换;哲基尔可以变成海德,然后又变回来。科学术语称之为振荡。如果物质和反物质相互对称,那么从K0 到K 0 的变化概率与其反转过程应一样。对这种振荡进行录像,那么无论正放还是倒放这段录像,看起来都应该相同。如果物质和反物质有所不同,那么这些交换概率就会不同。

那么如何才能看透这些顽固的家伙,看看它的振荡是不是这边多那边少呢?办法就是观察它消亡后的残留物,如此你就可以分辨出它在消亡前是K0 还是K 0 。如果你制造了一个束流,其中按50:50混合了K0 和K 0 ,那么你可以在它们消亡后比较其混合物。如果发现有任何不满足50:50的东西,那就表示要么振荡不对称,哲基尔和海德之间的转化会趋向一个方向而规避另一个方向;要么一种形态比另一种更容易消亡。无论是哪种情况都可以得出结论--物质和反物质有所不同。

1998年,欧洲核子研究中心进行了一系列实验,发现反K介子转化成K介子的速度略快于其逆过程。从而证明,即使在基本粒子层面,相对时间矢量也存在一个固有的方向,因为你可以分辨出反K介子和K介子录像的播放方向:如果反K介子先耗光就是正放,而K介子先耗光那就是倒放。这意味着,如果开始时K介子和反K介子的量相同,最终K介子的余量会大一些。在K介子的短暂寿命中,这显得微不足道,显然这也远不足以解释宇宙中为什么会留存有如此巨量的物质。但是,这是一个原则上的证据,证明可以产生这样的不对称。

之所以能发现物质和反物质之间不对称的线索,这得感谢自然的馈赠。除了下夸克及其加重奇异版,我们现在知道自然并不仅限于此。正如我们在前面谈到的,正负电子对撞机进行的一系列实验显示在宇宙早期存在三“代”的夸克和三代类电子粒子及其配合的中微子。

当狄拉克方程的理念被进一步发展,科学家们考虑自然不仅仅使用一代而是三代,最终的结果显示物质和反物质不再需要是对称配对了。通过K介子和反K介子之间的不对称行为,我们已经得到了实验证据。近年来,更强有力的证据出现了,科学家发现,如果K介子和反K介子中的奇异夸克或者反夸克被替换成第三代夸克或反夸克--即底夸克,那么产生的底介子(称为B介子和反B介子)会出现更明显的不对称。这与理论预言一致,这证明三代夸克交织在宇宙中的存在使得物质和反物质能够产生不对称。它也给我们提供了一种方法来测试遥远的星系是由物质还是反物质构成的。这个测试只需要某个外星人向我们发出信号。