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B介子工廠實驗近況與展望 文/張寶棣 近年來在高能物理上B介子工廠實驗獲得許多豐碩的成果，不但加速器的亮度達到甚至超過原有的預期，混合CP破壞也在實驗取數兩年之內被發現。今年八月更證實了直接CP破壞的存在。本文將介紹實驗的現況，報告今年發現的重要結果，並預估未來的發展。 一、源起 高能物理主要是研究基本粒子的性質及其交互作用力。在1964年James Cronin 和Val Fitch?介子﹝1﹞。當時人們相信電荷宇稱（CP）是守恆的。可是絕大多數的KL介子衰變會衰變到三個π介子，顯示KL介子是電荷宇稱奇態（CP odd）。奇態的KL介子又怎麼會衰變到電荷宇稱偶態的π+π?介子對呢？這代表了電荷宇稱（CP）的守恆性被破壞了。Cronin和Fitch後來也因為發現到這項CP破壞現象於1980年拿到諾貝爾物理獎。KL介子和KS介子可以K0介子及其反粒子的線性組合來表示；如果KL介子存在CP破壞的現象，這就表示K0介子和介子必定有些物理性質不一樣。後來我們找尋CP破壞的證據，便直接去量測粒子與反粒子間性質的差異。到底CP破壞的原因是什麼呢？許多的理論家在後來幾十年間提出許多模型解釋，但最讓人信服的是1973年小林與益川提出的理論 —KM mechanism﹝2﹞。 在1963年Cabibbo先生瞭解到夸克的弱作用的本徵態與其質量的本徵態是不同的，因此提出下夸克﹙d﹚和奇異夸克﹙d﹚的這兩種本徵態之間存在一種矩陣的轉換﹝3﹞。小林與益川將Cabibbo的想法擴充，在魅夸克﹙c﹚尚未發現之前便猜想如果有第三族的夸克存在的話，就有可能解釋CP破壞的現象。後來第三族的底夸克﹙b﹚於1977年被找到，18年後同是第三族頂夸克﹙t﹚也被發現了。圖一顯示弱作用的夸克本徵態﹙d?,s?,b?﹚與質量本徵態﹙d,s,b﹚之間存在一種么正矩陣轉換，而矩陣內每一個參數並不能由理論推得，必須從實驗得知。這個被稱為CKM的矩陣和描繪三族輕子與三族重子的強、弱和電磁交互作用的規範場論，構成了高能物理的標準模型。由於CKM矩陣是么正矩陣，所以它與其共軛矩陣相乘必須是1，因此各個參數之間滿足以下的關係式： 圖一：夸克弱作用的本徵態與質量的本徵態的矩陣轉換 Vus Vub* ＋ Vcs Vcb* ＋ Vts Vtb* = 0 (1) Vud Vus* ＋ Vcd Vcs* ＋ Vtd Vts * = 0 (2) Vud Vub* ＋ Vcd Vcb* ＋ Vtd Vtb* = 0 (3) 反夸克本徵態間的轉換只要將CKM矩陣內的參數改成其共軛複數即可。小林與益川洞察到粒子因其組成的夸克經弱作用轉換而產生衰變可經由兩個或兩個以上的費曼圖描繪時，其強度為所有費曼圖振幅和的平方，因此會有干涉項。各振幅的強作用項對粒子與反粒子來說是一樣的，但虛數部分的CKM弱作用力項則須變號。因此只要某些CKM參數不是實數，則對於粒子與反粒子的物理性質就有可能因干涉項的不同而有差異，也就產生了CP破壞現象。換言之，如果CKM參數都是實數，夸克與反夸克就交互作用而言是完全對稱的。式3在複數平面上可視為三個向量和為零而張成如圖二的三角形。實驗家的工作就是將俗稱么正三角的三個角與三個邊測量出來。么正三角的三個角在歐美被命名為((,(,()，但由於最先提出么正三角的概念的James Bjorken博士用的是((1,(2,(3)，Sanda他們的原始論文也是使用((1,(2,(3)，所以日本的科學家堅持採用((1,(2,(3)。 圖二：么正三角形的三個角與三個邊的相對位置圖。框框內的B介子衰變管道理論上可用來量取這三個角；三邊上框框外的衰變管道可用來測量三個邊長。 二、建造B介子工廠 CP破壞在K介子系統並不大，但在B介子系統中就可能不小。事實上我們現在所處的世界幾乎都只有正物質，這麼大的物質與反物質的不對稱性，暗示我們粒子物理的世界應該有不小的CP破壞現象。在b夸克發現後不久，Bigi和Sanda﹝4﹞兩位理論學家提出藉由B0與衰變到J/( K0的不對稱性可以量測么正三角之一的(1或β。理論上因強作用造成的誤差在這個管道上是非常小的，而且B0→J/( K0的分支比不小，因此被稱為黃金管道。八零年代以後，許多的實驗嘗試著作B物理；比較成功的是對撞能量在Υ(4S)質量上的正負電子對撞機實驗和高能量的正負電子與正負質子對撞機實驗。尤其是前者如CLEO和ARGUS 等實驗，測量了許多B介子的物理量，可是大部分的衰變管道仍然未知；其他已測量到的分支比和B0-混和參數﹙mixing parameter﹚等，精確度仍有待提高。 在八零年代末九零年代初，美、日雙方都看中B0→J/( K0