CP 破坏

当时的困境

物理学里有三面「镜子」。P（宇称）把空间左右翻转，C（电荷共轭）把每个粒子换成它的反粒子，T（时间反演）让影片倒着放。所谓某条定律「守恒」某种对称，就是说照镜子之后的世界同样合法：镜中发生的事，现实里也能以同样的速率发生。

1957 年，吴健雄的钴-60 实验打碎了 P 这面镜子；紧接着人们发现 C 也碎了——弱相互作用只认左旋的中微子，把它换成反粒子得到的左旋反中微子在自然界里并不存在。

但碎得恰到好处。左旋中微子先照 P 变成右旋中微子，再照 C 变成右旋反中微子——这正是自然界实际存在的那一种。两面镜子合起来，世界又对上了。朗道在 1957 年把这叫做「联合反演」：只要把空间翻转和正反粒子互换一起做，弱相互作用依然对称。

大家松了一口气。还有一层更深的保障：由相对论和量子场论的基本假设可以证明，CPT 三者合在一起必定守恒。若 CP 守恒，T 就也守恒——微观定律仍然分不出时间的方向。菲奇后来在诺贝尔演讲里回忆这段时期：「这个题目被留在一个非常令人满意的状态。」

检验 CP 最灵敏的地方是中性 K 介子。$K^0$ 与它的反粒子 $\bar K^0$ 可以通过弱相互作用互相转换，1955 年盖尔曼与派斯指出，真正以确定寿命衰变的是两者的叠加：

$$K_1 = \frac{K^0 + \bar K^0}{\sqrt 2}, \qquad K_2 = \frac{K^0 - \bar K^0}{\sqrt 2}$$

$K_1$ 的 CP 为偶，可以衰变成两个 π 介子，寿命很短；$K_2$ 的 CP 为奇，被禁止衰变成两个 π，只能慢吞吞地衰变成三个 π 或走半轻子道，寿命长数百倍。1956 年，莱德曼等人果然在布鲁克海文找到了这个长寿命的中性 K 介子。理论与实验严丝合缝，CP 守恒成了粒子物理的地基之一。

洞见时刻

CP 破坏不是谁想去找的东西。1963 年，阿代尔等人报告，中性 K 介子穿过液氢时「再生」出的短寿命成分比预期多了十到二十倍，阿代尔甚至猜测存在一种新的长程力。熟悉 K 介子的菲奇找到普林斯顿的同事克罗宁，提议用克罗宁刚造好的火花室谱仪去核查这个反常。研究生克里斯滕森与来自法国的访问学者蒂尔莱加入进来。

查反常的同时，他们顺手做了几件别的测量，其中一项是：长寿命 K 介子到底有没有两 π 衰变。此前的实验已经把这个比例压到了三百分之一以下，他们的目标是把上限再压低。菲奇后来说：「没几个同行会觉得研究 CP 不变性有什么值得称道的，但我们还是做了。」

数据在 1963 年 6 月 20 日到月底之间取完。衰变区里放了一个大氦气袋，好让 K 介子在几乎无物质的空间里衰变。谁也没把这批数据当回事，入秋后才由蒂尔莱着手分析。到 1964 年初，重建出的五千多个事例里出现了一个不该有的尖峰：两条径迹的合动量正对着束流方向、不变质量恰好等于 K 介子质量——这正是两体衰变的签名。扣除本底之后约有 45 个事例。

结论写进 1964 年 7 月的《物理评论快报》：在长寿命 K 介子的全部带电衰变里，落进 CP 守恒所禁止的两 π 道的比例是

$$R = (2.0\pm0.4)\times10^{-3}$$

它的意思是，长寿命 K 介子并不是纯粹的 $K_2$，而是混进了一点点 CP 为偶的成分：

$$K_L \approx K_2 + \varepsilon\, K_1, \qquad |\varepsilon| \approx 2\times10^{-3}$$

所以今天改用 $K_S$、$K_L$（短寿命与长寿命）来称呼这两个态，因为它们已不再是 CP 的本征态。

同行的第一反应是找实验的毛病。那年夏天在杜布纳的高能物理会议上，克罗宁被拉去单独答辩了一下午。临近结束时一位苏联同行提出，会不会是有只苍蝇被困在氦气袋里，把 $K_L$ 再生成了 $K_S$？两人当场估算，要产生这个效应，苍蝇的密度得远远超过铀。英国卢瑟福实验室和欧洲核子研究中心很快重复出了同样的结果。

涟漪效应

物质与反物质第一次有了绝对的区别。在此之前，把全宇宙的粒子换成反粒子再照一次镜子，没有任何实验能察觉；「正电荷」是哪一种，只是约定。CP 破坏之后不再如此：$K_L$ 衰变成正电子的次数比衰变成电子的次数多出约千分之三，这个差别可以用来定义什么是物质。克罗宁在诺贝尔演讲里说，菲奇等人随后的干涉实验已经表明这个效应的性质：「区分物质世界与反物质世界的实验是可能的」。

时间也有了方向。CPT 必须守恒，CP 既然破了，T 也就破了。菲奇说，熵增带来的时间不对称来自初始条件；而中性 K 介子第一次给出了一个由相互作用本身造成时间不对称的物理系统。

萨哈罗夫把它和宇宙联系起来。1966 年 9 月，他投出一篇短文：若早期宇宙里存在破坏重子数的过程、CP 与 C 都被破坏、并且过程偏离热平衡，就能从对称的开端里长出一个物质多于反物质的宇宙。文中说，正反粒子反应速率不同的效应「尚未在实验中观测到，但理论上似乎毫无疑问」——这是指另一种表现形式，K 介子里的 CP 破坏正是他立论的依据。三个条件的来龙去脉见重子不对称一页。

小林与益川给了它一个住处。1972 年 4 月，小林诚到京都大学任助教，与已在那里的益川敏英合作，问题是：在刚被证明可重整化的弱电统一理论里，CP 破坏能放在哪里？当时公认的夸克只有三种，理论上倾向的是四夸克方案。他们一个个排查，发现四个夸克怎么安排都不行。益川在诺贝尔演讲里回忆，那段时间他上午和小林讨论物理，下午在工会忙（他是京大工会的书记长），晚上洗完澡才有空想问题。某天泡在浴缸里，他决定认输，写一篇否定性的论文；跨出浴缸那一刻忽然想到，六个夸克就行得通。

道理在于数相位。$N$ 代夸克之间的混合由一个 $N\times N$ 的幺正矩阵描述，扣除能被夸克场重新定义吸收掉的部分，剩下的复相位个数是

$$\frac{(N-1)(N-2)}{2}$$

一代、两代都是零，三代恰好是一。这一个不可消去的复相位，就是 CP 破坏的来源。

1973 年的论文里，六夸克只是几种可能方案之一。小林后来坦言：「我们没有进一步的理由把六夸克模型单挑出来。」是实验把它推上了特殊的位置——1974 年找到第四种夸克（粲），1975 年找到 τ 轻子，1977 年找到第五种（底），1995 年找到第六种（顶）。

2001 年的判决。1981 年，卡特、比吉与三田一郎在两篇论文里指出，含底夸克的 B 介子里 CP 不对称应当很大。日本高能加速器研究机构的 KEKB 与美国斯坦福直线加速器中心的 PEP-II 为此专门建成「B 工厂」：让能量不等的电子与正电子对撞，产生的 B 介子带着速度飞出一小段再衰变，测出衰变点的位置（精度要求约十微米）就能读出时间。2001 年 7 月，两个合作组先后贴出结果，8 月登在同一期《物理评论快报》上，编号前后相连：

• BaBar：$\sin 2\beta = 0.59 \pm 0.14 \pm 0.05$
• Belle：$\sin 2\phi_1 = 0.99 \pm 0.14 \pm 0.06$

$\beta$ 与 $\phi_1$ 是同一个角的两种叫法。两个结果都明确不为零，并与小林-益川矩阵由其他测量推出的值相符。2008 年，小林与益川获诺贝尔物理学奖；克罗宁与菲奇早在 1980 年获奖。

如果没有它

标准模型会少一块，而这块恰好是验证得最精细的之一。小林在诺贝尔演讲里总结 B 工厂的结果：六夸克模型的夸克混合是已观测到的 CP 破坏的主要来源，但仍给额外的来源留下了少许余地。从 K 介子到 B 介子，今天所有实验测到的 CP 破坏都能用那一个复相位说通。

但它解释不了我们自己。这正是 CP 破坏最尴尬的地方：它是萨哈罗夫三条件之一，也确实存在，可标准模型里这个相位引起的效应太小了——常见的估算是，比造出今天这点物质过剩所需要的小了约十个数量级。也就是说，宇宙必定另有 CP 破坏的来源。候选者包括中微子（日本的 T2K、美国的 NOvA 正在测量轻子部分的 CP 相位）、超出标准模型的新粒子，或者别的什么还没人想到的东西。

这是一桩悬案。1964 年那个本想把上限再压低一点的实验，给出的是一个方向，而不是答案：物质与反物质的定律不完全相同，这件事我们已经确知；为什么世界上只剩物质，我们还不知道。