等容易衰变的先走完
1964 年,克罗宁、菲奇、克里斯滕森与蒂尔莱在布鲁克海文研究中性 K 介子。他们让粒子束先飞过一段距离,等衰变很快的成分基本消失,再检查剩下的长寿命粒子。若 CP 对称成立,长寿命成分应当避开双 π 衰变,数据里却出现了一个小小的双 π 信号。
等待本身就是实验的筛选工具。中性 K 介子的产生状态与传播、衰变状态之间存在混合,其中两种成分寿命差得很大。靠近靶,短寿命衰变占据许多计数;走远之后,留下的样本更纯净。一个在近处很常见的过程,到了这里便成为敏感的检验。
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CP 同时换镜像与反粒子
P 是空间反射,也就是把方向翻到镜像;C 是电荷共轭,把粒子换成反粒子。CP 把两步一起做。弱作用的宇称破坏发现之后,人们继续问:镜像再换成反物质,弱衰变概率会不会恢复一样?
中性 K 介子与反 K 介子都没有电荷,但夸克组成不同,弱作用可以把它们互相混合。若严格遵守 CP,可以组成具有确定 CP 性质的状态,它们允许的 π 衰变也不同。理想的长寿命组合允许三 π 衰变,双 π 末态的 CP 性质与它对不上。
这样,一个对称性问题就能变成计数问题:准备主要由长寿命成分组成的束流,再仔细寻找双 π 衰变。实际长、短寿命 K 介子与理想 CP 组合有一点差别,1964 年实验第一次让这个差别变得可见。
两条径迹必须拼回粒子束
磁谱仪的两臂分别测两条异号径迹,动量相加后可以倒推母粒子。真正的双体衰变几何很受限制:两个带电 π 介子的总动量,应当指回原来 K 介子束的方向。若还有一颗没看见的粒子带走动量,倒推方向通常会散开。
团队在 K 介子质量附近选候选事例,再画出重建方向与束流方向的夹角。预期双体衰变所在的正前方,出现了一座峰。其他衰变也会混入,分析便比较它们更宽的角分布,估计本底贡献。
束流还有一个细节:穿过物质会改变中性 K 介子的混合,重新生成容易双 π 衰变的短寿命成分,这叫再生。团队必须检查这种装置效应。那座小峰之所以成为发现,靠的是方向、质量与束流材料的几项证据共同接上。
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质量与方向共同筛选候选
质量选择与方向选择要一起看。有的两个带电粒子碰巧拼出接近 K 介子的质量,但若还有一颗中性女儿漏掉,总动量就常常偏离原束流。有的配对虽然指向前方,质量却不对。两道条件合用,真正双体候选才聚起来,本底也显出自己的分布。
实验还需要了解探测器接受哪些方向、哪些动量。两臂谱仪只接住末态中的一部分,相应选择会改变图上本底的样子。分析在这种几何条件下比较许多事例,寻找该有的正前方集中。
信号便不是从某一张特别像的事件照片中宣布出来的。团队统计候选事例,把质量、方向与控制过程一起比较。千分之几的小效应,正依靠这套为双体衰变量身安排的测量才露出来。
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概率很小,改变却很大
原论文给出的双 π 比例约为千分之二,分母是分析中规定的带电衰变模式。读数时保留这个分母,才不会把它误当成所有衰变的比例。信号虽然很小,已经足以推翻严格 CP 守恒的简单描述。
克罗宁与菲奇因中性 K 介子中的 CP 破坏发现获得 1980 年诺奖。后来实验继续分辨不同形式的 CP 破坏,并扩展到别的粒子。宇宙为什么留下这么多物质,还需要更多物理;1964 年实验先给出了一个可以反复测量的起点:自然界确实会区别 CP 对应的两种情形。
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