图一：正反科西超子级联衰变演示图：如果物质和反物质遵循相同的物理法则，科西超子与反科西超子的衰变应该是镜像对称的，只是空间坐标是相反的。镜像之间纽带连接表示正反超子的量子关联。(图片来自中国科学院高能物理研究所)
复旦大学参与的北京谱仪III合作组（BESIII Collaboration）在世界上首次利用处于量子纠缠的正反科西超子对的级联衰变，成功地把导致正反物质不对称的弱作用力从强作用力中分离出来，这一创新实验方法为研究物质和反物质不对称性提供了极其灵敏的实验探针，引起了领域内国际同行的高度关注。该研究成果于2022年6月2日发表于Nature杂志。
人们眼中缤纷的大千世界是由正物质组成，然而在宇宙大爆炸之初，正反物质是等量产生的。宇宙中的反物质是如何消失的，物质和反物质遵循不同的衰变规律吗？这些问题一致困扰着科学家们。粒子衰变为研究正反物质不对称性提供了重要线索：如果粒子和反粒子的衰变模式存在差异，那么这些差异可能是导致我们丰富的物质世界形成的原因。在以往的弱相互作用实验中，克罗宁和菲奇已在K介子衰变的实验发现了微弱的电荷(C）和宇称(P)联合对称性的破坏（即CP破坏），从而获得了1980年的诺贝尔物理学奖。然而，强相互作用下的CP破坏迄今尚未观测到。考虑到粒子衰变通常是由多种相互作用诱导发生的，比如一种类似质子的短寿命粒子——科西超子，它的内部含有两个重的奇异夸克和一个轻夸克,带一个负电荷，其衰变过程中既发生弱相互作用也发生强相互作用，如何识别是哪种作用导致正反物质衰变行为不同呢？在BESIII实验中，通过正负电子对撞产生具有量子关联的正反科西超子对，科学家们利用其自旋极化和“子粒子”的级联衰变，可以把强相互作用力和弱相互作用力的贡献分开，从而显著提高CP破坏测量的敏感度。这一创新方法为寻找 CP 破坏提供了一种全新的视角。
尽管本次实验结果显示没有CP破坏的迹象。然而这一创新方法为科学家未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。“这是理解正反物质不对称性的一个里程碑，我期待BESIII合作组将来取得更多成就。”中科院院士、高能物理研究所所长王贻芳说。“BESIII实验的灵敏度远高于之前费米实验室的HyperCP实验，是HyperCP实验单事例灵敏度的1000倍，这得益于BESIII实验上正反科西超子的自旋极化和量子纠缠[图1]。”BESIII国际合作组发言人李海波研究员强调说。
BESIII合作组由来自中国，德国，瑞典，意大利等17个国家的约500位科研人员组成，是国内正在运行的最大国际合作组。复旦大学现代物理研究所粒子物理研究团队于2017年加入BESIII合作组，在实验的运行取数、物理分析中都发挥了重要作用。团队成员严亮青年研究员在该研究中做出重要贡献，按照BESIII合作组署名规则，文章以BESIII Collaboration署名。
该工作得到了上海市浦江人才计划、国家重点研发计划的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04624-1
新闻链接：https://news.fudan.edu.cn/2022/0603/c4a131534/page.htm
