臺大物理領軍台灣團隊締造Belle實驗成果-「直接」電荷宇稱不守恆

由臺大物理團隊領軍的「台灣高能團隊」參與Belle實驗重要成果發表會，於八月二十日(週五)上午十點在凝態科學物理學館與國家科學委員會共同舉行聯合記者會。由於近千名各國高能實驗和理論物理學家，刻正出席在北京舉行的「國際高能物理會議」 (ICHEP2004)，探討最新研究成果。台灣共有13人出席，其中本校王名儒、張寶棣兩位教授及陳凱風、趙元兩位博士生，中央大學陳鎰鋒教授代表Belle實驗作口頭報告。

Belle實驗由日本KEK高能實驗室~v 界~E井教授在會中發表重大實驗成果，日本方面亦將同步發表新聞。因此，本校物理系侯維恕教授也在前一天由北京趕回，同一時間舉行成果發表。除了去年的重大成果之後續發展(現場報告)外，今年的重點成果為︰『在二億七千四百萬B介子-反B介子對中，找到1165個B介子衰變至K加 p 介子的事件，但只看到974個對應的反B介子衰變事件，99.99%確認B系統不僅有2001年所確立的混合電荷宇稱破壞，尚有直接電荷宇稱破壞。』此項重大物理成果由台大高能組博士生趙元所量測。

計畫總主持人物理系侯維恕教授指出，我國參加日本「B介子工廠」Belle實驗已十年。隨著數據快速累積，Belle與史丹福加速器中心BaBar實驗的國際競賽益形白熱化。去年Belle發表了可能是「新物理」徵兆的重大物理成果 (但與BaBar有出入)，對這個結果台灣有核心貢獻。在當下正在北京舉行，有近千名學者與會的第32屆「國際高能物理會議」ICHEP2004中，Belle與BaBar的共同主要發現是在B介子系統確立了所謂的「直接」CP不守恆。這是繼2001年發現B系統CP不守恆之後的新里程，而在Belle的工作幾乎全然是由台大團隊分析完成的。~

一、「B介子工廠」與電荷宇稱（CP）不守恆~繼宇稱（P）不守恆於1957年確定後，1964年實驗又發現CP不守恆，亦即物質與反物質之間有千分之二的不同而有根本的區別。可是歷經30餘年並一個諾貝爾獎(1980年)，CP不守恆卻仍僅見於K介子系統。但CP不守恆不僅是粒子物理的基本問題，對她的探討，將有助於我們了解：自宇宙產生以來我們的另一半 - 反物質 - 到哪去了？~)

隨著1980年代的進展，在1970年代所建立的「標準模型」下，預期B系統中之CP破壞 (亦即不守恆) 比K系統強得多。因此1990年代初日本高能實驗室及史丹福加速器中心分別斥資數億美元興建「B介子工廠」，量產B介子以探討其CP破壞。CP破壞的大小藉一個Belle稱作sin 2f1的參數來界定，它與熟悉的電磁作用常數a 同樣基本：a 控制電磁吸、斥力之強度，亦即你我並世界的運轉；若sin 2f1為零則CP守恆。BaBar稱sin 2f1為sin 2b，似乎延續了當年丁肇中院士命名為J，史丹福稱為y的J/y 粒子傳統。~)

Belle與BaBar實驗在2001年均無可置疑的量到了B介子系統中之CP破壞，亦即B介子衰變至J/y KS的速率與反B介子衰變至J/y KS的速率不同。現在已量測sin 2f1 = 0.736到 ±0.049的精確度。這個數值與在「標準模型」下從其他多樣數據間接分析而得之數值相符合。~

二、「直接」CP破壞的發現~上述sin 2f1的測量，只在測量衰變時間分布時，B反B出現不同的表現，若只是單純的數B與反B的衰變事例反而就看不見了，因此被稱為「間接」CP破壞。而「直接」CP破壞當然就是不測量衰變時間分布也看得到的CP破壞現象。「直接」CP破壞的測量，是進一步確証「標準模型」的必要工作。~)

Belle與BaBar實驗自兩年前起便有徵兆顯示B介子衰變至K加p 介子的事件數與對應的反B介子事件數有所不同。Belle實驗在過去一年數據量從一億五千二百萬(1999-2003累積量) 對B與反B介子對增加到二億七千四百萬對，其中看到了1165個中性B介子衰變至K加p介子的事件，但只有974個對應的反B介子事件 (如圖所示，肉眼就可看出差別來)。經過台大博士生趙元及Belle稀有衰變召集人台大張寶棣教授的仔細分析，得到CP破壞不對稱性為 -0.101±0.025±0.005，可以99.99%確定 (亦即3.9s)量測到了「直接」CP破壞。這個結果已在北京高能大會公佈，Belle實驗並當重點論文加速審查，預計八月底前就可投出。~)

BaBar實驗也在八月初大張旗鼓的公佈了他們的最新結果為 -0.133±0.030±0.009。BaBar搶先公佈的部分理由是因為他們測量的絕對值比Belle的大，因此統計確定率為99.9987% (亦即4.2s)。然而他們只重建了1606個K加p 介子事件，比Belle的2135個事件少，而他們的二億二千七百萬B與反B介子對數，也比Belle少。若Belle量到的值也是-0.133，就會有超過5s的統計確定度而算確立了。~)

所幸這一次Belle與BaBar的結果，雖然單獨看還不能算是底定，但因兩者互相支持，合在一起絕對超過5s的統計確定度，因此今年在B系統確定有「直接」CP破壞，是一件大事。為什麼是件大事呢？可以這樣對比來看。CP破壞於1964年在K介子系統實驗發現，直到過了35年才在K介子系統確定看到「直接」CP破壞。這35年中，一直有個可能是「標準模型」並不對，而CP破壞源自一種「超弱作用」。CP破壞在B介子系統於2001年方確立，而三年內B介子系統的「直接」CP破壞亦確立了，不可謂不速，也馬上排除了B介子系統CP破壞出自「超弱作用」的可能性。~

三、新物理?~去年Belle實驗宣布在1999-2003年所累積的一億五千二百萬對B介子事件中，找到了68個B → f KS事例，並量測到sin 2f1值是-0.96 ± 0.50而不是0.736。因為這個結果可能是超越「標準模型」的新物理徵兆，因此雖然與BaBar的結果有異，仍然是全世界高能物理學家今年所最期待的。~)

這當然也是Belle實驗今年最重點的事情，因此本次Belle實驗大會 (內部會)，大家都非常焦慮。臨場「開箱」開出來的值卻令人傻眼：在總共139個事例中量測到sin 2f1值變成了+0.06 ± 0.33，變動十分劇烈。因此，統計確定率反而從去年Belle所宣稱與「標準模型」預期值出入的99.8%下降為95%。而在數據量大得多的B → h' KS　(共512事例)，今年量到的sin 2f1值是 +0.65 ± 0.18± 0.04，與B → J/yKS的0.736相仿。~)

看來，雖然B → f KS有新物理的可能性並未消失，但確証至少要十億對B與反B介子了。值得一提的是BaBar倒認為B → h' KS看不到CP破壞效應而與B → J/yKS不同，與Belle又起衝突。「B工廠」白熱化的國際競賽還真是撲朔迷離、詭譎多變，而台灣團隊在這個競賽中扮演重要角色。~

四、台灣的貢獻與高能團隊近況~今年Belle的重大成果「直接」CP破壞的核心人是台大博士生趙元。在直接CP破壞與稀有衰變召集人之一的台大張寶棣教授的指導下，他負責找出事例、了解事例背景、改進分析方法並作最後的「開箱」。趙元今年的工作還有一個重大成果，就是確實看到了 (超過5s)　B衰變至p0p0，其值比多半理論家所能解釋的大許多。這又將是Belle今年的重點論文。今年是趙同學的豐收年！有趣的是，BaBar去年就宣稱看到了p0p0的「明確證據」(但不能算確証)。但今年他們的值卻變小了(又與Belle略有出入！)，因此BaBar今年在Kp「直接」CP破壞大作文章。~)

去年表現耀眼的博士生陳凱風同學今年的實際貢獻更大。陳同學包辦了「企鵝圖」CP破壞研究B → h' KS、f KS及K+K- KS三大反應，與日籍的四、五名博士生與博士後研究人員過去數週幾乎是不眠不休的工作。陳同學還有一樁重要成果是在B → f K*衰變探討偏極化。去年就已出論文，但今年Belle與BaBar又公佈了進一步的結果，彼此一致但偏極化的結果兩年來無法在「標準模型」下被理論家所解釋，也是今年北京高能大會的一個熱門議題。~)

趙元同學與陳凱風同學的工作當然在Belle是最耀眼的，因此獲推薦選派在北京ICHEP高能大會代表Belle作口頭報告。代表Belle作口頭報告的還有三人，分別是台大的王名儒教授與張寶棣教授，以及中大的陳鎰鋒教授。王教授在2002年起發現的稀有重子衰變，到現在已文章斐然，開發出新現象。而在今年ICHEP2004大會Belle的23個口頭報告中，還有三、四個是由別的成員報告台大團隊的成果。~)

在目前Belle出的約百篇物理論文中，台灣團隊主導的論文佔23篇，其中一篇作者是聯合大學王正祥教授，而陳鎰鋒教授三年來的成果近期也將出論文。~)如果今年的最主要結果是「直接」CP破壞，並且是由台大學生與老師完成的，那麼值得一提的便是台大物理系禮聘了傑出系友熊怡教授，已到職一年，且立刻獲選遠哲傑出人才。熊怡教授正是費米實驗室1999年發現K介子系統之「直接」CP破壞效應著名KTeV實驗的發言人之一，台大高能團隊可說是成了「直接」CP不守恆的重鎮。