B介子的测量表明，粒子物理的标准模型无法解释为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的——

尽管在宇宙大爆炸过程中应该产生等量的物质与反物质，但为什么宇宙却完全是由物质构成的呢？这是物理学中最令人费解的问题之一。在大爆炸发生后，所有的物质粒子与反物质粒子将互相湮灭，只留下光子，但由于某种原因，大约每十亿个物质粒子中有一个保留了下来，形成了我们今天的宇宙。英国BaBar实验组和日本Belle实验组的物理学家们目前对粒子物理标准模型所允许的物质-反物质不对称度进行了首次直接测量。

“实验结果首次直接确定了宇宙中物质-反物质的不对称度的大小，”英国BaBar管理委员会主席、英国伦敦玛丽女王学院的保罗 · 哈里森（Paul Harrison）说。但是，不出所料，实验所测得的不对称度不足以说明为什么宇宙由物质支配着。因而物理学家不得不在标准模型（该模型可以高度精确地预言非常多的粒子物理实验结果）之外寻求解释。

图为费米实验室直径达二公里的同步加速器主环

差别何在？

在标准模型中，一种被称为电荷宇称破坏的过程是造成物质-反物质的差别的主要原因。电荷宇称破坏意味着当一个粒子被其反粒子代替并将空间的三个坐标方向反向时，物理定律将发生细微的变化。电荷宇称破坏是于1964年在K介子中最先探测到的，BaBar和Belle实验是首次在另一种粒子——B介子中探测电荷宇称破坏的实验。“B介子系统中电荷宇称破坏的发现是一个突出的成就”，美国康奈尔大学粒子物理理论专家马特海斯 · 纽伯特（MatthiasNeubert）说，“B介子实验结果的特殊意义在于它首次观测到了标准模型所预言的大的电荷宇称破坏。”

在标准模型中，可根据一个三角形非常容易地解释电荷宇称破坏，电荷宇称破坏的程度与该三角形的面积成正比。该“幺正三角形”底边的长度为一个单位长度，物理学家因此需要测量其余两个边的长度或角度以计算它的面积。他们测量的值越多，就能越好地检验标准模型。

实验结果通常表示为2β的正弦，其中β为三角形的一个角度。如果不存在不对称，那么sin 2β将等于零。2001年7月6日，BaBar实验组报道sin 2β=0.59，误差在0.14以内。这种效应只有十万分之三的可能性是由统计涨落造成的。2001年7月23日，日本高能物理所实验室的Belle实验组报道sin 2β=0.99+0.14。

上述两个实验组的对撞机都是作为“B介子工厂”而建造的，可以产生大量的B介子（一种由一个底夸克和一个反下夸克构成的粒子）和反B介子。两个合作组通过探测B介子衰变成J/φ粒子和中性K介子的过程来测量sin 2β的值。电荷宇称破坏表明，对于这一特定系统，B介子比其反粒子衰变得稍慢。

标准模型不能确切地预言sin 2β的值，相反，像电子的电荷和质量一样，该值是必须先通过实验测定然后才被“人为”引入标准模型的大约17个物理量之一。然而，BaBar和Belle的实验结果与其他实验组给出的结果以及基于标准模型计算出的结果0.72是大体相符的。

电荷宇称破坏可通过三种不同方式显现出来。在1964年首次于中性K介子中观测到的间接过程中，量子力学允许粒子在一种被称作“混合”的过程中转变为它们的反粒子，并变回粒子，但二者进行的速率不同。直接的电荷宇称破坏过程是在K介子中观测到的，在这种过程中粒子及其反粒子是以稍微不同的方式衰变的。但是，物理学家迄今尚无法完成把上述实验结果转换成衡量物质-反物质不对称性的尺度所需的复杂计算。

BaBar实验组与Belle实验组观测到的那种类型的电荷宇称破坏起因于混频与无混频衰变干涉。尽管测量这种形式的电荷宇称破坏是一项极具难度的工作——因为B介子的寿命只有10-12秒，但它却直截了当地把实验结果与基本的物质-反物质不对称联系起来。

超出标准模型的适用范围

两个实验组面对的下一个课题是测量B介子衰变成π介子的过程中的电荷宇称破坏。这需要测量幺正三角形的另一个角α来检验标准模型的内在自洽性。

哈里森说：“如果我们运气好的话，我们也许会发现标准模型的缺陷，因为物质在宇宙中的支配地位强有力地暗示宇宙中实质上还存在着标准模型理论所未涉及到的其他形式的电荷宇称破坏。”

1967年，安德列 · 萨哈罗夫（Andrei Sakharov）证明，物质支配宇宙除了要有电荷宇称破坏以外，还要满足两个条件，即宇宙不应处于热平衡状态以及必须存在某些可改变“重子数”的过程。但是人们从未观测到可改变重子数的反应过程，虽然根据某些推广的标准模型这些反应可以发生。

哈里森又说：“用来解释宇宙中如何产生物质-反物质不对称的理论有可能需要修改，但不管怎样我们都有收获，因为关于宇宙我们尚有一些问题没有彻底搞清楚，因此还有一些新的情况需要人们去发现。”

实际上，在许多推广了的标准模型中引入了违反电荷对称的其他参数。马特海斯 · 纽伯特说：“令人迷惑的是，在美国康奈尔、斯坦福、日本高能物理所及美国费米实验室的B介子工厂收集到的大量的数据中没有观测到这些效应。”他还谈到另一件不可思议的事情，即强相互作用过程中的电荷宇称破坏程度应该比弱衰变过程中的大几个数量级，但人们在强相互作用过程中却从未观测到电荷宇称破坏现象。

我们确信在某些层次上标准模型并不成立，我们对在目前的实验精度上无法观测到这些不成立的情况而感到不知所措。B介子工厂中的新物理现象的研究将对高能物理实验中新物理现象的直接研究起到补充作用。

[PhysicsWorld，2001年8月号]

图为影像显示碰撞后的粒子轨迹

银河系是否存在类似地球的天体？

近年来，在我们太阳系以外遥远的太空寻找环绕类似太阳的恒星运行的“地球”是天文学研究最具吸引力的领域之一。

英国开放大学的巴里 · 琼斯（Barrie Jones）和尼克 · 斯利普（Nick Sleep）最新设计的计算机模拟显示，银河系可能散布着数百万颗类似地球的行星，等着我们用改进后的望远镜去发现它们。

琼斯教授说：“尽管目前我们还没有能力观测到类似地球的“小东西”，但我们可以从理论上推断出哪些外行星系最有可能有“地球””。

琼斯和斯利普用计算机模型将许多“地球”放入已知的外行星系中，模拟它们在邻近恒星的“可居住”区域内的运行轨道。

天文学家们知道，这一区域中的任何一个“地球”都可能有生命存在。在某些外星系，一个或更多大行星过于接近可居住区域，使地球无法保持稳定的轨道。而在另一些星系，长期的存在是可能的，因此这些星系应是寻找太阳系以外生命的主要目标。

最接近太阳系的星系是大熊星座47星系，这颗类似太阳的恒星的历史比太阳略久一点。就是说它比太阳更热更亮，因此其可居住区还要向外扩展，距离从1天文单位到1.9天文单位。而今天太阳系的可居住区域是从0.8天文单位到1.7天文单位——大约从金星轨道到火星轨道（1天文单位是指地球到太阳系的平均距离，约等于1.5亿公里）。

[曹淑芬译自《美国大学科学网站》2002年4月10日]