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宇宙中物质和反物质应该是对称的吗?

时间: 2020年04月21日 | 作者: 你飞的科学探索 | 来源: 新浪探索
理论上,宇宙一开始时数量相当的物质和反物质应该简单地相互抵消,释放出超级明亮的光(高能光子)。但事实并非如此,确切的原因仍然是一个谜。

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在日本一座矿山的地下洞穴里,科学家建造了一个巨大的水箱,用来探测一种神秘的基本粒子。多年以来,这里一直很平静,似乎什么都不会发生。


不过,每隔一段时间,水箱的边缘就会出现一圈闪光,这是电子或质量更重的类似粒子(μ介子)穿过水体时所产生的信号。这些电子和介子是一种幽灵般的微小粒子撞击水分子时产生的残余物,这种粒子便是中微子。


多年来,国际合作项目T2K实验的物理学家们一直在计算这些光圈的数量。T2K的意思是东海(Tokai)到神冈(Kamioka),是位于日本的一个粒子物理学实验。在名为J-PARC的地下设施中,科学家通过加速器制造出高密度的μ介子中微子束,指向295公里以外的超级神冈探测器。在计算光圈的数量时,T2K实验的物理学家对轮廓清晰和模糊的光圈进行了区分,前者由较重的μ介子穿过水体而产生,后者则是质量较小的电子的特征。


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随着时间的推移,T2K实验的物理学家注意到,他们的计算结果中出现了一些偏差。他们认为,这种偏差或许有助于解释宇宙中物质的存在。


是对称的吗?


就在大爆炸发生后,宇宙中存在着等量的物质和反物质,这两种物质互为镜像,一旦接触就会湮灭。与氢对应的反物质是反氢。电子的反物质是带正电荷的正电子。介子对应反介子,中微子对应反中微子,以此类推。


反物质与物质是如此相似。理论上,宇宙一开始时数量相当的物质和反物质应该简单地相互抵消,释放出超级明亮的光(高能光子)。但事实并非如此,确切的原因仍然是一个谜。这种“正反物质对称性破坏”(对称破缺)表明,这些粒子之间一定存在某些基本的差异。不对称性可以解释为什么现在的宇宙中正物质要远远多于反物质,而科学家已经发现了其中一种不对称性。


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夸克就体现了其中一种不对称性,这是构成质子和中子的粒子。早在1964年,物理学家就发现了夸克和反夸克之间的细微差别。夸克是构成质子、中子和其他粒子的亚原子粒子,它们通过弱力相互作用。但是,夸克的不对称性过于微小,不足以解释物质的存在。宇宙中肯定还有其他不对称的地方。


在其他一些关于不对称性的理论中,涉及一类名为“轻子”(lepton)的粒子。轻子是一种不参与强相互作用、自旋为1/2的基本粒子,包括了中微子、μ介子和电子这样的粒子。如果在轻子和其对应的反物质之间存在不对称性,那随着时间的推移,就可能不仅会导致物质轻子过剩,还会导致物质重子(baryon)过剩。重子是指由3个夸克组成的复合粒子,构成了一个原子的大部分质量(质子和中子)。


T2K实验的科学家试图在水箱中寻找轻子不对称性的证据。物理学家认为,当中微子从一种味“振荡”到另一种味时,轻子不对称性就会显现出来。


中微子可能是关键


中微子有三种类型(又称三种“味”),即电中微子、μ中微子和τ中微子。每种味都有自己的反中微子。所有这些粒子——中微子和反中微子——都在振荡,意味着它们会从一种味转变为另一种味。一个μ中微子可以变成一个τ中微子或一个电中微子;一个反中微子也可以振荡成τ反中微子或电反中微子


然而,这些振荡需要时间。这也是T2K实验要把中微子束加速器和水箱(即超级神冈探测器)隔开数百公里的原因。中微子束传播的过程就给了μ中微子束振荡成为电中微子的时间。T2K实验寻找的就是μ中微子转变为电中微子的证据。


即使在这种情况下,电中微子也很难被探测到。穿过超级神冈探测器的电中微子很少会撞上水分子并转变成电子,产生特有的模糊微光。


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尽管如此,在多年的努力之后,超级神冈探测器已经探测到了中微子和反中微子的数百次振荡,足以得出一些真正的结论。


在4月15日发表在《自然》(Nature)杂志上的一篇论文中,T2K实验的物理学家报告称,中微子束和反中微子束之间存在差异的置信度为95%,这是物质-反物质不对称性部分来自中微子的有力证据。


目前所获得的信息还很有限。T2K实验直接测量的所有结果都是微弱、低能量中微子行为之间的不对称性,为了完全理解这种不对称性及其对宇宙演变的影响,理论物理学家必须将这些数据外推到高能中微子上,并研究其他轻子是否也会存在类似的情况。


至于T2K合作项目,下一步将是收集更多的数据,使结果的置信度提高到95%以上。另外,在这个日本矿山中建造更先进的下一代“超巨型神冈探测器”的相关努力,以及美国正在建造的名为“深地下中微子实验”(DUNE)的相关物理实验,也可能加快研究的步伐。也许在不久的未来,我们将真正解开宇宙早期物质-反物质的不对称谜题。