反物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)揭示了宇宙起源的線索

來(lái)自中微子的新證據(jù)指向了一種關(guān)于為什么宇宙是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)組成的理論。

在宇宙開(kāi)端，世界上存在著物質(zhì)和反物質(zhì)，后來(lái)只剩下物質(zhì)了。這是為什么？這個(gè)問(wèn)題是物理學(xué)中具有決定性意義的謎團(tuán)之一。幾十年來(lái)，理論家們一直在嘗試想出潛在的解決方案，其中大多數(shù)涉及到宇宙中已知粒子以外存在的額外粒子的問(wèn)題。

科學(xué)家宣布了一項(xiàng)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，指出了一種可能的解決方案，但數(shù)據(jù)并未得出決定性的發(fā)現(xiàn)。無(wú)論最終答案是什么，解決這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)告訴我們更多，不僅僅能夠告訴我們，為什么我們生活在一個(gè)物質(zhì)宇宙中，它還可能會(huì)揭示宇宙最早時(shí)代的秘密，甚至將我們與科學(xué)家都難以弄清的無(wú)形暗物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)。

大多數(shù)關(guān)于物質(zhì)如何勝過(guò)反物質(zhì)的理論主要分為兩大陣營(yíng)。其中一種理論弱電重子生成（electroweak baryogenesis），它提出了基于希格斯玻色子的一些粒子——這種粒子與萬(wàn)物如何獲得質(zhì)量有關(guān)。如果這些希格斯表親存在，他們可能幫助引發(fā)了一場(chǎng)突然的相變，類似于宇宙早期水從液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時(shí)的轉(zhuǎn)變，這可能導(dǎo)致太空中物質(zhì)略多于反物質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)接觸時(shí)，它們會(huì)相互湮滅，所以年輕宇宙中的大部分物質(zhì)都會(huì)被摧毀，只留下少量過(guò)剩的物質(zhì)來(lái)形成我們周?chē)男窍?、恒星和行星?/p>

另一種主要的理論被稱為“輕子起源”（leptogenesis），它源于中微子。這些粒子比夸克輕得多，以輕盈的方式穿過(guò)宇宙，幾乎不會(huì)停下來(lái)與任何東西相互作用。根據(jù)這種設(shè)想，除了我們所知的常規(guī)中微子外，還有非常重的中微子，它們是如此巨大，以至于只有在宇宙非常炎熱和密集的時(shí)候，才可能是從大爆炸之后存在的巨大能量和溫度中鍛造出來(lái)的。人們認(rèn)為，當(dāng)這些粒子不可避免地分解成更小、更穩(wěn)定的物種時(shí)，它們產(chǎn)生的物質(zhì)可能比反物質(zhì)的副產(chǎn)品略多，導(dǎo)致了我們今天看到的現(xiàn)象。

兩個(gè)謎團(tuán)最終和成為一個(gè)最終奧秘

日本東海至神岡T2K（Tokai To Kamioka）實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家們最近宣布的這一消息，為輕子起源的概念提供了充滿希望的發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)觀察了中微子在地下300公里處穿行，并在三種類型之間變化的過(guò)程——這是中微子的一種特殊能力，稱為振蕩。T2K研究人員在中微子中檢測(cè)到比反中微子更多的振蕩，這表明兩者不僅僅只是彼此的鏡像，在實(shí)際上會(huì)有不同的表現(xiàn)。

粒子和反物質(zhì)之間的這種差異被稱為CP破壞，這是探索宇宙誕生后物質(zhì)是如何超越反物質(zhì)的有力線索。石溪大學(xué)（Stony Brook University）的T2K團(tuán)隊(duì)成員Chang Kee Jung說(shuō)：“我們還不認(rèn)為這能夠成為一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)?！睂?shí)驗(yàn)現(xiàn)在已經(jīng)以95%的置信度排除了中微子有零CP破壞的可能性，它表現(xiàn)出粒子可能顯示出允許的最大可能的CP破壞。然而，需要更多的數(shù)據(jù)，可能還需要未來(lái)的實(shí)驗(yàn)，才能準(zhǔn)確地測(cè)量中微子和反中微子到底有多大的不同。

即使物理學(xué)家在中微子中明確發(fā)現(xiàn)了CP破壞，他們也不能完全解決宇宙反物質(zhì)問(wèn)題。加州大學(xué)歐文分校的理論物理學(xué)家塞達(dá)·伊佩克（Seyda Ipek）說(shuō)，這樣的發(fā)現(xiàn)對(duì)于證明輕子起源是“必要的，但還不夠”。該理論的另一個(gè)要求是，中微子和反中微子在根本上是一回事。這看似矛盾的事情怎么可能發(fā)生呢？物質(zhì)和反物質(zhì)被認(rèn)為是相同的，除了相反的電荷。中微子不帶電荷，可能兩者同時(shí)存在。

如果這種可能性是真的，它也可以解釋為什么中微子如此之輕——也許還不到電子質(zhì)量的六百萬(wàn)分之一。如果中微子和反中微子是相同的，它們可能不會(huì)像大多數(shù)粒子那樣通過(guò)與希格斯場(chǎng)（與希格斯玻色子相關(guān)）的相互作用來(lái)獲得質(zhì)量，而是通過(guò)另一種稱為蹺蹺板機(jī)制的過(guò)程獲得質(zhì)量。它們的微小質(zhì)量將與早期宇宙中出現(xiàn)的重中微子的質(zhì)量成反比?！爱?dāng)一個(gè)向上時(shí)，另一個(gè)就會(huì)向下，就像蹺蹺板一樣，”伊佩克說(shuō)。

位于伊利諾伊州巴達(dá)維亞的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）的理論物理學(xué)家杰西卡·特納（Jessica Turner）說(shuō)：“細(xì)粒發(fā)生學(xué)是解釋事物的一種非常優(yōu)雅的方式?！薄笆紫?，你要回答為什么物質(zhì)比反物質(zhì)多。第二，你要解釋為什么中微子的質(zhì)量這么小?！?/p>

中微子是自己反物質(zhì)的對(duì)應(yīng)物的證據(jù)可能來(lái)自于尋找一種名為無(wú)中微子雙β衰變的理論化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，這種反應(yīng)只有在中微子能夠像物質(zhì)和反物質(zhì)接觸時(shí)那樣湮滅自己的情況下才會(huì)發(fā)生。然而，即使這一發(fā)現(xiàn)也不能完全證明輕子起源的過(guò)程發(fā)生過(guò)?！叭绻銣y(cè)量我們所能看到的最可能的CP破壞，如果你觀察到中微子是它們自己的反粒子，我們會(huì)只能說(shuō)這是間接證據(jù)，而不是直接證據(jù)，”特納說(shuō)。

與黑暗的一部分連接

物理學(xué)家說(shuō)，擺在桌面上的另一種理論選擇——弱電重子發(fā)生——可能更容易研究。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室理論物理系主任瑪塞拉·卡萊納（Marcela Carena）表示，盡管與細(xì)微形成有關(guān)的重中微子的產(chǎn)生很可能超出粒子加速器的能力，但這一理論預(yù)測(cè)的額外希格斯玻色子可能會(huì)出現(xiàn)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上。即使機(jī)器不直接制造它們，這些希格斯近親也可以微妙但可察覺(jué)地與它產(chǎn)生的傳統(tǒng)希格斯玻色子相互作用。

弱電重子的發(fā)生也需要宇宙中額外的CP破壞，但不需要特別在中微子中。事實(shí)上，在夸克中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了CP破壞，盡管數(shù)量如此之少，以至于它不能解釋物質(zhì)-反物質(zhì)的不平衡。這一理論缺失的CP破壞可能隱藏在所謂的暗區(qū)——被認(rèn)為構(gòu)成了太空中大部分物質(zhì)的不可見(jiàn)暗物質(zhì)的領(lǐng)域。也許暗物質(zhì)和暗反物質(zhì)的行為不同，這種差異可以解釋我們所知的宇宙?？ɡ准{說(shuō)：“我的工作一直試圖將宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)的不平衡與我們需要一些迄今未見(jiàn)過(guò)的東西來(lái)解釋暗物質(zhì)的想法聯(lián)系起來(lái)。”

電弱重子發(fā)生的證據(jù)不僅可以通過(guò)探測(cè)額外的希格斯粒子來(lái)尋找，還可以通過(guò)尋找暗物質(zhì)和暗扇區(qū)的大量實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得。此外，如果宇宙相變發(fā)生在宇宙大爆炸之后不久，正如理論假設(shè)的那樣，它可能已經(jīng)產(chǎn)生了引力波，這些引力波可能會(huì)被未來(lái)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，比如激光干涉儀空間天線（LISA），這是一種將于本世紀(jì)30年代發(fā)射的天基引力波探測(cè)器。

不過(guò)最終宇宙可能會(huì)讓我們大吃一驚?？赡芗葲](méi)有“輕子起源”，也沒(méi)有弱電重力化發(fā)生?！斑@并不是唯一的兩個(gè)選擇——理論領(lǐng)域非常廣闊，”伊佩克說(shuō)。例如，她最近研究了一個(gè)模型，該模型涉及質(zhì)子和中子內(nèi)部夸克的強(qiáng)相互作用中的CP破壞，而理論家們也在研究許多其他的想法。特納說(shuō)：“我認(rèn)為我們需要讓自己探索所有的可能性。”“自然界就是這樣解體的，我們無(wú)法控制。我們只能盡最大努力去理解它?！?/p>

與此同時(shí)，對(duì)中微子CP破壞的確切測(cè)量至少近在眼前。即將到來(lái)的項(xiàng)目，如深地中微子實(shí)驗(yàn)和T2K的繼任者超神岡（Hyper-K），應(yīng)該具有精確計(jì)算所需的靈敏度。芝加哥大學(xué)的沙丘聯(lián)合發(fā)言人Ed Blucher說(shuō)：“T2K數(shù)據(jù)看起來(lái)十分有趣?！薄霸诩磳⒌絹?lái)的下一代實(shí)驗(yàn)中，將會(huì)有一些有趣的東西可供研究，這讓我非常興奮?！?/p>

BY: scientificamerican

FY:?羅導(dǎo)

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