物理世界有三种常见的对称性，我们经常用符号C、P和T来表示它们。C代表正负电荷互换，也就是物质和反物质的互换。P代表宇称互换，也就是左右的互换。T代表时间反演，也就是录像带正放和倒放的互换。C、P、T各自都可以不守恒，以前发现的CP不守恒都只涉及奇异夸克和底夸克，这次发现的一种名叫“D介子”的粒子CP不守恒，是第一次发现涉及粲夸克的CP不守恒。

关键词：对称性、物质与反物质、宇称守恒

X：近日，欧洲核子研究中心（CERN）宣布，大型强子对撞机（LHC）上的LHCb实验发现了D介子的正—反物质不对称性。那么这个发现有多重要？官方的说法是：“绝对会被写进粒子物理的教科书。”——意思就是重要到这个以后要考！

S：你说的这个消息里面我只有依稀对“不对称性”有点耳熟。

X：因为这个发现就是和杨振宁李政道提出的“宇称不守恒定律”有关，某种程度上，它是证明或者说完善了在几十年前提出的“宇称不守恒”！所以为了理解这项发现的科学意义，我们就来走入杨振宁李政道的思维世界：

X：在宇宙大爆炸之初，宇宙是一个炽热的纯能量奇点。随着宇宙的膨胀与冷却，宇宙中的能量转化成了大量的正反粒子对，此时正反物质总量一样多。接着，大量的正反粒子重新彼此结合，湮灭为光子，这个过程经过了长久的反复，其能量最终成为了至今遍布宇宙中的微波背景辐射。然而在这个过程中，正反粒子的行为出现了些许不同，每十亿个正反粒子湮灭的过程中，有一个正物质粒子被留了下来，并最终组成了当今宇宙中所有的物质。

或许，这起初只是科学家的一种想象，不过，随后他们真的找到了证据。

1956年，30岁的李政道和34岁的杨振宁在《质疑弱相互作用中的宇称守恒》一文中提出“宇称不守恒定律”，质疑了传统的宇称守恒定律，认为宇称在弱相互作用中是不守恒的。

“宇称不守恒”是指在微观世界中“左”和“右”居然不对称。“比方说，微观粒子都有一种属性叫螺旋度，可以分为左旋和右旋。然而，一种叫做中微子的微观粒子却全是‘左撇子’，世界上只有左旋中微子，没有右旋中微子。”陈缮真说。

在李政道和杨振宁之前，粒子物理学家确实已证实强相互作用和电磁力中的宇称守恒，不过，弱相互作用中宇称守恒一直没能得到证实。这篇质疑传统的论文，让李杨二人在第二年就登上了诺贝尔物理学奖的领奖台。

“李—杨假说”得到验证后，科学家开始研究“电荷—宇称不守恒”（又称CP破坏），深入探索正反物质之间到底存在怎样的差别。

在粒子物理学家的“地图”上，有一类参与弱相互作用的基本粒子名为“夸克”。夸克共分6种，按照理论预期，在其中3种组成的强子系统中，可以观测到电荷—宇称不守恒现象，这3种夸克分别是奇夸克、粲夸克、底夸克。

上世纪60年代，科学家在含有一个奇夸克的K介子中最早观察到了电荷—宇称不守恒；本世纪初，美国和日本的B工厂又发现了含有一个底夸克的B介子中的电荷—宇称不守恒，证实了导致世界上存在六种夸克的机制。

于是，含粲夸克介子的电荷—宇称不守恒成了预料之中、却迟迟得不到实验检验的现象。

LHCb实验的目的之一，就是研究电荷—宇称不守恒现象，深入理解宇宙中正反物质不对称性的来源。

一直以来，B工厂、LHCb等有条件的实验组，都在苦苦寻找蛛丝马迹。

终于，LHCb的科学家通过研究中性D介子，找到了粲夸克系统中物质—反物质不完全对称的证据。

电荷-宇称变换将粒子与其镜像中的反粒子互换（来源：CERN）

中性D介子由一个粲夸克和一个反上夸克粒子构成，是最轻的含有粲夸克的介子。

为了观察到电荷—宇称不守恒现象，LHCb研究人员使用LHC在2011年至2018年期间提供给LHCb的所有数据，寻找D介子和它的反粒子的衰变。

S：这个思维世界的速度好像和我们的不太一样。

X：不过客观来说，想在这么短时间里理解这么复杂的物理发现就太贪心了，有兴趣的同学还是需要找到相关报道结合文献才能有个基本的了解。但是这个新闻其实有另一层值得我们去体会的意义，就是这次的发现，是一个科学家们如何一棒棒接力，不断地用智慧和努力去探索这个世界奥秘的鲜活例子。从杨振宁李政道提出理论，到之后科学家们不断完善和实验，在无数测试数据中到今天终获一次成果，其中凝聚了几十年间无数科学工作者的付出。就像袁老师常说的对于科学工作者来说“功成不必在我”，这也是我们相信科学之所以是人类最伟大共同事业的原因所在。【这段好像有点水……大概是在假设我没有评论的前提下写的。还是换些有干货的说法吧】

【袁岚峰博士点评】：我敢保证，这些报道用正常速度念出来，大多数人都听不懂，更不用说八倍速。我不是粒子物理的专家~不过这件事的基本意思还是能看出个大概的。

首先，物理世界有三种常见的对称性，我们经常用符号C、P和T来表示它们。C代表正负电荷互换，也就是物质和反物质的互换。P代表宇称互换，也就是左右的互换。T代表时间反演，也就是录像带正放和倒放的互换。如果某个物理现象在某个变换后仍然满足物理规律，那么我们就说这种现象对这种变换守恒。

例如在日常生活中，你去照镜子，左右会互换，但镜中世界并没有违反任何物理规律，因此日常生活具有P守恒。在微观现象中，绝大多数都满足这三种对称性，也就是说对C、P、T都守恒，都守恒是默认值。

第二，人们最初是认为所有的微观现象都满足C、P、T这三个守恒，所以1956年杨振宁和李政道提出弱相互作用中宇称不守恒的时候，引起了巨大的震动。

宇称不守恒意味着什么呢？意味着你可以区分绝对的左右！想想看，居然有一些物理现象，它们的镜像不可能出现，这是多么出人意料的事情啊！所以这项成果第二年就获得了诺贝尔奖。以后我们会详细解释宇称不守恒，在这里只介绍这些基本背景。

第三，发现宇称可以不守恒之后，人们就开始仔细审查理论的基础了。到底什么样的对称性是必然满足的，什么样的对称性是可以违反的？

公认的结论是：C、P、T各自都可以不守恒，但CPT三者的联合却一定是守恒的。也就是说，你把一个体系的电荷反号，左右互换，时间反向，这三件事都做了以后，得到的结果必然是符合物理规律的。

这就带来一个有趣的结论：既然CPT的整体变换必然守恒，那么如果其中一部分不守恒，另一部分也必然不守恒。例如，假如一个体系对时间反演不守恒，也就是对T不守恒，那么它对CP必然也不守恒，也就是对电荷反号加左右互换的联合操作不守恒。

因此，你经常可以听到关于CP不守恒的研究，背景就是这个。

第四，这次的新发现究竟是什么？是发现一种名叫“D介子”的粒子CP不守恒。

以前每一次发现某种粒子CP不守恒，都得到了诺贝尔奖，所以这次也是一个重大的成果，进教科书是必然的。

如果要更具体一些，就是：以前发现的CP不守恒都只涉及奇异夸克和底夸克，这是第一次发现涉及粲夸克的CP不守恒。

至于什么是夸克？奇异夸克、底夸克、粲夸克等等是什么意思？这些也是有趣的话题，不过只能以后找更合适的机会讲。在这里只需要解释一句：我们不是刚讲过氢弹的原理，告诉大家氢弹的能量来自质子和中子这些核子之间的强相互作用吗？质子和中子就是由夸克组成的！

为什么新闻说这件事跟物质-反物质的不对称有关呢？一句话的回答就是：物质跟反物质的区别就是电荷相反，C不守恒就意味着物质跟反物质的行为不同嘛！