世界上最大的原子對撞機——大型強子對撞機（LHC）的研究人員在嘗試把物質變為反物質的過程中，捕捉到一種奇異的亞原子粒子。這一發現或許可以幫助我們了解宇宙如何從大爆炸誕生之後的瞬間免於徹底的湮滅。

牛津大學的研究人員使用來自大型強子對撞機的第二次運行數據，發現了這種粲介子。這是一種同時包含夸克（即構成物質的基本單元）和反夸克的亞原子粒子，並且可以在物質和反物質的兩種狀態之間自動轉換。

每個粒子都有自己的反物質等效物，它們質量相同、壽命和原子自旋也相同，唯獨所帶電荷相反。有些粒子，比如光子（光粒子），它們的反粒子就是自己；而另一些粒子，得益於所謂的“量子疊加”的奇異現象，可以同時以物質和反物質的形式存在。

粲介子屬於最後一類。量子疊加，源自量子力學（或者說支配微觀宇宙的奇怪規則）。量子疊加允許微觀粒子同時以多種不同的狀態存在，本質上是不同粒子的混合，直至有人去觀測這些粒子並選擇一種狀態開始研究。它們不單是粒子，也具有波的屬性，這些波在空間中任何給定位置的大小代表了在該位置發現粒子的概率。

當粲介子（稱為“D0”）和其反粒子等效物（“反D0”）以疊加態存在時，D0的波和反D0的波以多種方式重疊，形成另外兩種物質粒子： D1和D2。D1和D2也處於疊加態。儘管D1和D2由彼此相同的粒子（D0）和反粒子（反D0）成分組成，但它們的混合略有不同，因而具有不同的質量和壽命。

反之亦然；D1和D2也可以疊加產生D0或反D0，具體取決於它們相互疊加的方式。

論文的合著者、曼徹斯特大學的實驗物理學家兼LHC發言人克里斯·帕克斯說：“你可以把D0想像成由D1和D2的混合物構成，或者D1由D0和反D0的混合物構成，這不過是看待同一現象的兩種方式。”

這些粒子波的質量決定了它們的波長，進而也決定了它們互相干擾的方式，以及重一點的D1和輕一點的D2之間的質量差異。這種質量差異又決定了粲介子在其兩種狀態——物質（D0）和反物質（反D0）——之間轉換的速度。

然後，這種質量差異非常非常小：只有0.00000000000000000000000000000000000000001千克。

為了在如此精確的層面上進行測量，研究人員觀察了3060萬個粲介子。粲介子產生於大型強子對撞機中兩個質子撞擊之後，僅傳播幾毫米就會迅速衰變成質量更輕的其他粒子。不過，粒子加速器內的超精密探測器可以幫助團隊比較傳播得最近和最遠的粲介子。接著，研究人員可以利用傳播距離的差異，計算出兩種可能狀態之間的質量差異。

這也是科學家第二次發現一個粒子以這種方式在物質和反物質狀態之間振盪。第一次發現是在2006年，當時觀察的是奇異-b介子。但是研究人員表示，觀測粲介子中的這一現像要更加困難，因為粒子通常在轉變之前就已經衰變了。

合著者之一、牛津大學的實驗物理學家蓋伊·威爾金森在一份聲明中說：“發現粲介子粒子的振盪現象的獨特之處在於，不像b介子，粲介子的振盪非常緩慢，因此粒子的振盪在粲介子快速衰變之前極難測量到。”

能夠在物質和反物質之間轉換的粒子十分重要，因為它們可能是解答科學界最大謎團之一的關鍵。這個謎團就是：宇宙為何存在。

根據標準模型，也就是描述構成宇宙的基本粒子的理論，宇宙大爆炸之初產生了等量的物質和反物質。但是，我們如今生活的宇宙幾乎完全由物質構成。由於物質和反物質接觸的那一瞬間會互相湮滅，宇宙在大爆炸中誕生的那一刻或不久之後，照理也會自我湮滅。那究竟是什麼造成了物質與反物質之間的不平衡呢？

有些假設認為，諸如粲介子這樣的粒子讓我們的物質宇宙免於湮滅，尤其是當它們從反物質到物質的轉換頻率遠遠高於它們從物質到反物質的轉換頻率時。升級後的大型強子對撞機將在關閉三年多時間後於今年9月份重新啟動，另外日本的Bell2實驗也計劃開展類似的介子研究。屆時，研究人員或許可以發現一些新的線索。（勻琳）