反物质的发现揭示了宇宙起源的线索

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反物质的发现揭示了宇宙起源的线索

来自中微子的新证据指向了关于为何宇宙是由物质而不是反物质构成的几种表面之一。一首先有物质和反物质,然后惟有物质。这个疑问是定义物理学的奥秘之一。上周,科学家们宣布了一项诱人的发现,办理这个疑问大概会报告我们更多,而不单单是我们为何生活在一个物质的宇宙中——它大概会宣布宇宙最先时代的隐秘,乃至会把我们所不知道的看不见的暗物质联系起来。

最初,物质与反物质都存在,然而到后来就惟有物质了。这是为何呢?这个疑问是定义物理学的谜团之一。几十年来,表面物理学家们已经提出了大概的注释,其中大片面涉及到宇宙中已知物种以外的分外粒子的存在。上周,科学家们宣布了一项诱人的发现,指出了一种大概的注释,然而这些数据并无造成一种精确地发现。然而,不管最终的答案是什么,办理这个疑问大概不但能报告我们,为何我们生活在一个物质的宇宙中,它能够宣布宇宙最先时代的隐秘,大概乃至把我们与使科学家们困惑的不可见的暗物质联系起来。

关于物质怎样压倒反物质的大多数表面分为两大派别。其一称为弱电性重子造成说,提出了希格斯玻色子的另一种形状,即与其余物质获取质量的方法有关的粒子。若这些希格斯玻色子的近亲存在的话,它们天然能够有助于引发一个陡然的相变,相似于水从液态变成气态时的过程。在宇宙早期,这种相变大概导致空间中的物质比反物质略多。当物质和反物质接触时,它们会互相湮灭,因此年轻宇宙中的大片面物质都已经被粉碎,只留下一小片面节余的物质,最终造成了我们周围的星系、恒星和行星。

另一种合流的表面称为轻子发生说,其与第一种表面不同,是源于中微子。这些粒子比夸克轻得多,它们以轻快的方法穿过宇宙,而且险些不会休止,与任何器械互相作用。凭据这一假想,除了我们所知道的通例中微子外,另有很重的中微子。它们是云云庞大,以至于惟有在宇宙大爆炸之后的庞大能量与极高温度下才会造成,而此时的宇宙是极端炽热而稠密的。这种表面认为,当这些粒子不能够免地分裂成更小、更稳定的形状时,它们大概产生了相较于反物质的略多的物质,从而导致我们今天看到的这种情况。

日本T2K(Tokai to Kamioka)试验的科学家刊登的声明,为轻子发生说的观点提供了有有望的印证。试验调查在地下300公里处穿行的中微子,在三品种型或特性之间变更—一种叫做振荡的中微子的分外能力。T2K研究职员在中微子中检验到的振荡比在反中微子中检验到的更多,这评释中微子和反中微子不单单是彼此的镜像,究竟上,它们的阐扬特性有所不同。粒子与反物质粒子之间的这种迥异被称为CP破坏,这是探索宇宙诞生后物质的量怎样逾越反物质的有力线索。“我们还没有称这项研究为一个发现,”石溪大学的T2K小组成员Chang Kee Jung(张基荣)说。试验现在已经排除了中微子在95%的相信度下出现零CP破坏的大概性,而且表现出关于粒子大概容许的的的最大CP破坏量的线索。然而,想要精确测量中微子和反中微子之间的差别,还需求更多的数据,大概还需求未来的试验。

即便物理学家最终发现中微子中的CP破坏,他们也不会完全办理宇宙反物质疑问。加州大学欧文分校的一位表面物理学家塞达·伊佩克(Seyda Ipek)说,这样的发现对于证实轻子发生说是“须要但不充分的”。证实这个表面的另一个需求是中微子和反中微子最终被证实是同一回事。这看起来填塞冲突的结论怎么不妨真的?除了携带的电荷相反以外,物质和反物质能够认为是相像的。而没有电荷的中微子,大概同时作为物质与反物质存在。

若这种大概性是真的,它也能够注释为何中微子是大概不到电子质量的六百万分之一辣么轻。若中微子和反中微子是相像的,它们大概获取的质量不是像大多数粒子那样通过与希格斯场(与希格斯玻色子有关)的互相作用,而是通过另一个叫做跷跷板机制的过程。它们微乎其微的质量与早期宇宙中出现的重中微子的质量成反比。伊佩克说:“当其中一个增加时,另一个就削减,就像跷跷板同样。”

伊利诺伊州巴达维亚市费米国度加速器试验室(Fermilab)的表面物理学家杰西卡·特纳(Jessica Turner)说:“轻子发生说是注释事物的一种很文雅的方法。”“首先,你要回覆为何物质比反物质多。其次,你要注释为何中微子的质量这么小。”中微子是它们自己对应的反物质的证据大概来自于一种寻找称为无中微子双β衰变的表面反馈的试验,这种反馈惟有在中微子能够像物质和反物质接触时那样自我烧毁时才会发生。然而,即便这一发现也不能够完全轻子发生说的征象发生了。特纳说:“若你测量我们所能看到的大概性最高的CP破坏,而且若你调查到中微子是它们自己的反粒子,我们会认为这是间接证据,而不是直接证据。”

物理学家声称,台面上的另一个表面选定,即弱电性重子造成说,大概更容易进行研究。费米试验室表面物理部分负责人马塞拉·卡雷纳(Marcela Carena)说,尽管轻子发生过程中产生的重中微子很大概超出了粒子加速器的能力局限,但这一表面预测的分外希格斯玻色子大概会出现在大型强子对撞机的试验中。即便机械不能够直接生产出这些希格斯玻色子的近亲,它们也能够轻易地而有陈迹地与其产生的普通希格斯玻色子互相作用。

弱电性重子造成还需求宇宙中分外的CP破坏,但中微子则不需求。究竟上,在夸克中已经发现了CP破坏征象,尽管由于数目很小而不能够注释物质与反物质的不服衡。这个表面没有发现的的CP破坏大概隐藏在所谓的暗区中,即被认为构成了宇宙中大片面物质的不可见暗物质的平台。也许暗物质和暗反物质的特性并不相像,而这种迥异能够注释我们所知的宇宙。卡雷纳说:“我的工作一直试图把宇宙中物质与反物质的不服衡联系到一个年头上,那即是我们知道我们需求少许迄今为止还没有被发现的器械来注释暗物质。”

弱电性重子造成的证据不但能够通过探测分外的希格斯粒子,还能够通过大量寻找暗物质和暗区的试验来获取。别的,若像表面所猜测的那样,在大爆炸后不久就发生了宇宙级别的相变,它大概会产生能够在未来的试验中被发现的引力波,上述的试验例如激光干涉仪空间天线(LISA),一种将于20世纪30年月发射的空基引力波探测器。

不过,最终,宇宙会让我们大吃一惊。大概既没有轻子发生过程,也没有弱电性重子发生过程。“这并非唯二的两个选定,表面平台依然很广阔,”伊佩克说。例如,她研究了一个涉及质子和中子中夸克强互相作用中CP破坏的模型,表面家们也在研究很多其余的年头。特纳说:“我认为我们需求自己去探索全部的大概性,天然自己会揭开它的隐秘,我们无法控制。我们只是尽力去明白它。”

但与此同时,我们起码能够看到中微子CP破坏确凿切测量结果。即将进行的项目,如深地下中微子试验(DUNE)和T2K的继任者Hyper Kamiokande(Hyper-K),应当具备精确计较所需的灵敏度。“T2K数据看起来很有趣,”芝加哥大学DUNE的团结讲话人Ed Blucher说。“在即将到来的下一代试验中,会有少许有趣的器械值得研究,这让我很愉快。”

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