臺大高能物理團隊邁向解開宇宙反物質消失之謎發現電荷宇稱破壞在帶電與中性B介子衰變的差異參與日本高能加速器研究機構（KEK）研究論文發表《NATURE》

臺大高能團隊參與在日本高能加速器研究機構（KEK）之Belle實驗室，研究論文發表於最新一期《Nature》期刊。本校特於3 月27日（星期四）在校總區行政大樓第一會議室舉行記者會，將此項傑出研究成果與大眾分享。相對於傳統物理學，由於電荷宇稱不守恆理論超出現今物理「(超越)標準模型」可以解釋的程度，因此為『新物理』打開了一扇視窗。臺大物理系張寶棣教授與其他工作伙伴為了讓各界能夠深入了解此項研究成果，特別為各界讀者以科普的概念說明如下：

如果已知宇宙是藉大爆炸產生，創始之初會產生等量的物質與反物質，但物質與反物質相遇必然湮滅成光，我們生存的宇宙就會消失。可是，奇妙的是，反物質不見了！放眼望去，從我們所住的地球到可見的宇宙盡頭，都只見物質存在，因此，我們得以存活以及當今的世界得以存在。而對高能物理學界而言，最大的夢想便是要解釋：宇宙反物質那裡去了？

這個問題很難回答，臺大高能團隊參與日本筑波市高能加速器研究機構（KEK）的B介子工廠Belle國際合作實驗，目前在《自然》最近一期發表了一篇重要論文，這也是B介子工廠的實驗結果十餘年來第一次刊登在這個知名期刊上。顯示我國的高能物理研究已邁向頂尖的國際水準！

參與這個團隊的臺大物理系張寶棣教授指出，我們要解釋反物質從宇宙消失，物質與反物質至少在基本性質上要有些許的不同，這就是物理學家所說的電荷·宇稱破壞（charge-parity violation）。電荷·宇稱破壞的現象在1964年首次發現，但這個在實驗室裡所觀測到之電荷宇稱不守恆，如果運用當代基本粒子物理學的「標準模型」來解釋，卻僅能解釋宇宙物質-反物質不對稱的百億分之一，顯然解釋力很不足。因此粒子 (即高能) 物理學家的夢想，便是積極從事電荷宇稱破壞之研究，期盼發現「超越標準模型」之新物理，以解釋為何當今的世界能夠存在。

臺大高能團隊多年來參與日本筑波市高能加速器研究機構（KEK）的B介子工廠Belle國際合作實驗，最近發現在帶電B介子衰變到一個K介子和一個p介子的管道中，其直接電荷宇稱不對稱性與中性B介子衰變到Kp介子對的不對稱性不一樣。這兩個直接電荷宇稱不對稱性的相異性，很有可能是藉由我們所不知道的新物理所導致。因此，這個實驗結果有可能提供線索來解開宇宙反物質消失之謎。此項研究結果由臺大主導，已經發表在著名期刊自然《Nature》上。這也是B介子工廠實驗結果第一次刊登在《自然》。

研究電荷宇稱破壞需要大量且精密的實驗數據，因為粒子現象非常細膩。在二十世紀末，全世界僅有兩個B介子工廠實驗以研究電荷宇稱破壞為主要目標而建。日本KEK的Belle實驗和位於美國史丹福線性加速器中心（SLAC）的BaBar實驗均於1999年建成運轉，自2000年起出物理成果，到近年已走向成熟期。創建之初兩個實驗都邀請臺大加入，以臺大物理系侯維恕教授〔理論學家出身〕為首的一群科學家，也想圓他們的夢─走入國際，做第一流的研究，便決定加入日本的「B介子工廠」實驗，從一個4人的小團隊開始，目前已擴大為超過30人、具國際競爭性的大組。研究成果非常豐碩，以僅佔Belle實驗約1/20的人力，發表了約50篇論文，佔Belle總論文數的1/5。

此外，該研究團隊於2004年即在中性B介子衰變到Kp對中找到直接電荷宇稱破壞的証據，更是該年高能物理界最重要的結果。

《自然》這篇論文則是發現在B介子衰變到Kp 對中，帶電和中性B介子的電荷宇稱破壞確實是有很大的差異。這種差異違反了原來理論上的預期。那麼到底是什麼原因造成呢﹖許多理論學者承認以「標準模型」來說，非常難以解釋，稱之為K-p困惑(K-p puzzle)。有的理論家試著以強作用效應來解釋，也有人認為可能是超越標準模型的新物理所造成。以現今對粒子物理的瞭解，如果真是因強作用效應導致這麼大的差異，我們對B介子衰變理論強作用效應的理解將要做非常大的修正。這也是期刊《自然》對這個研究結果十分肯定的原因，因而成為《自然》期刊上很少數的高能物理論文之一。

對於未來的研究方向，如果新物理真的存在，這個新物理也就有可能影響其他衰變管道的電荷宇稱破壞。但是仍然需要更大量的實驗數據。臺大團隊除了將繼續分析現有的數據以外，整個Belle團隊更提出在KEK建造超級B介子工廠計畫，來提高加速器的亮度 (反映在能產生的B介子數) 和偵測器的效率。臺大高能團隊也計畫加入超級B介子工廠的建造。

此外，座落於瑞士日內瓦的大強子對撞機（LHC），號稱是物理學界有史以來規最大的工程「大強子對撞機」（Large Hadron Collider，LHC），今年暑假即將運轉。臺大高能組也將參與該計劃，今年即將完成參與LHC加速器CMS實驗的硬體貢獻，也正為數據分析作準備。事實上，臺大高能組從Belle的結果啟發，正積極部署，或可藉LHC發現Belle結果背後的新粒子。

藉著參加國際高能物理界位於日本的Belle與歐洲的CMS兩大主流實驗，臺大高能組將繼續推動從事國際尖端的高能物理研究。在不久的將來我們或可確認到底是否是新物理可以提供更合理的解釋，屆時盼望能為國人帶來近一步的好消息。