美國雪城大學藝術與科學學院的物理學家證實，含有粲夸克（charm quark）的物質和反物質基本粒子在衰變上存在不同。該學院傑出教授謝爾頓·斯通（Sheldon Stone）表示，這些研究結果都是首次發現。不過，此前已經有研究在含有奇夸克（strange quark）或底夸克（bottom quark，又稱美夸克）的基本粒子中觀察到物質—反物質的不對稱性。

CP對稱轉化是將一個帶電荷粒子轉化為其鏡像的反粒子。大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）已經在D0介子（圖中右側的圓球）衰變為其他小型粒子（較小的圓球）中觀察到這種對稱性的破壞，以及反D0介子（左側的圓球）。這種對稱性的破壞是通過每次試驗中衰變數量的變化（右下方柱體，僅供說明）推導出來的。

謝爾頓·斯通與該學院高能物理研究小組的成員首次測量發現，D0介子和反D0介子衰變為更穩定副產物的方式存在差異，測量的確定性達到了99.999%。

介子是一類亞原子粒子，由1個夸克和1個反夸克構成，二者通過強相互作用結合在一起。“此前有過許多測量物質—反物質不對稱性的嘗試，但截至目前，還沒有人成功，”謝爾頓·斯通說，“這是反物質研究的一個里程碑。”為了這項研究，斯通與歐洲核子研究中心（CERN）實驗室的“大型強子對撞機底夸克實驗”（Large Hadron Collider beauty，簡稱LHCb）研究人員進行了合作。

這些研究結果可能還預示著標準模型——描述了基本粒子的相互作用——以外的新物理學。“在那一天到來之前，我們還需要從理論上進行嘗試，以不那麼深奧的方式來解釋觀察結果，”斯通解釋道。

物質的每個粒子都具有相應的反粒子，除了電荷相反之外，在其他方面都完全相同。舉例來說，對氫原子和反氫原子的精確研究揭示了超過十億分之一位數的相似性。當物質粒子與反物質粒子接觸時，它們會發生湮滅，同時釋放出能量——類似於大約140億年前發生的大爆炸。“這就是為什麼我們周圍的宇宙中如此缺少天然反物質的原因，”謝爾頓·斯通說道。作為美國物理學會的會員，他獲得了今年的帕諾夫斯基實驗粒子物理學獎。

縈繞在謝爾頓·斯通心頭的問題是物質和反物質之間“相等但相反”的性質。他說：“如果同等數量的物質和反物質在宇宙誕生時爆發，那麼應該沒有留下什麼東西，只有純粹的能量。很顯然，這種情況並沒有發生。”因此，斯通和LHCb的研究人員一直在尋找物質和反物質之間的微妙差異，以了解為什麼物質在宇宙中如此普遍。

答案可能來自歐洲核子研究中心，借助那裡的大型強子對撞機（LHC）——世界上最大、能量最高的粒子加速器——科學家可以通過質子碰撞來產生反物質。LHC產生的能量越高，碰撞過程中形成的粒子和反粒子就越多。

雪城大學高能物理研究組的博士後研究者伊万·波利亞科夫（Ivan Polyakov）等科學家正是在這些碰撞的“碎屑”中搜尋粒子成分。“在我們的世界中看不到反物質，因此我們必須人工製造反物質，”他說，“來自這些碰撞的數據使我們了解衰變的過程，以及從不穩定粒子轉化成更穩定副產物的過程。”

雪城大學的高能物理研究組以其在夸克領域的開創性研究著稱。夸克是一種基本粒子，也是構成物質的基本單元。夸克有6種類型，或者稱6種“味”，但科學家通常成對地描述它們：上/下、粲/奇和頂/底。每對夸克都具有相應的質量和電荷分數——夸克是目前已知唯一基本電荷非整數的粒子。

除了底夸克之外，雪城大學高能物理研究組還對粲夸克很感興趣。儘管質量相對較大，但粲夸克在衰變為更穩定產物之前可以短暫存在。近期，該研究組研究了相同粒子的兩個版本。一個版本包含一個粲夸克和一個反頂夸克；另一個版本包含一個反粲夸克和一個頂夸克。

從大型強子對撞機的數據中，，研究人員識別了兩個版本的粒子，其數量都以千萬計，併計算出了每種粒子衰變為新副產物的次數。“對於兩組粒子，兩個可能結果之間的比例應該是相同的，但我們發現二者存在大約十分之一的差異，”謝爾頓·斯通說道。“這證明了粲夸克物質和反物質粒子並不是完全可互換的，”波利亞科夫補充道，“從外面看粒子可能完全一樣，但它們在內部的行為有所不同。這正是反物質令人困惑之處。”

物質和反物質表現出不同行為的想法並不新鮮。此前對奇夸克和底夸克的研究已經證實了這一點。謝爾頓·斯通總結稱，這項研究的獨特之處在於，這是有史以​​來第一次有人證實了粲夸克的不對稱性，“這是可以載入史冊的發現。”