反物質的發現揭示了宇宙起源的線索
來自中微子的新證據指向了關於為什麼宇宙是由物質而不是反物質構成的幾種理論之一。一開始有物質和反物質，然後只有物質。這個問題是定義物理學的奧秘之一。上週，科學家們宣佈了一項誘人的發現，解決這個問題可能會告訴我們更多，而不僅僅是我們為什麼生活在一個物質的宇宙中——它可能會揭露宇宙最早時代的秘密，甚至會把我們所不知道的看不見的暗物質聯繫起來。
最初，物質與反物質都存在，然而到後來就只有物質了。這是為什麼呢？這個問題是定義物理學的謎團之一。幾十年來，理論物理學家們已經提出了可能的解釋，其中大部分涉及到宇宙中已知物種之外的額外粒子的存在。上週，科學家們宣佈了一項誘人的發現，指出了一種可能的解釋，然而這些數據並沒有形成一種精確地發現。然而，不管最終的答案是什麼，解決這個問題可能不僅能告訴我們，為什麼我們生活在一個物質的宇宙中，它可以揭露宇宙最早時代的秘密，或者甚至把我們與使科學家們困惑的不可見的暗物質聯繫起來。
關於物質如何壓倒反物質的大多數理論分為兩大流派。其一稱為弱電性重子形成説，提出了希格斯玻色子的另一種形態，即與其他物質獲得質量的方式有關的粒子。如果這些希格斯玻色子的近親存在的話，它們自然可以有助於引發一個突然的相變，類似於水從液態變成氣態時的過程。在宇宙早期，這種相變可能導致空間中的物質比反物質略多。當物質和反物質接觸時，它們會相互湮滅，所以年輕宇宙中的大部分物質都已經被摧毀，只留下一小部分剩餘的物質，最終形成了我們周圍的星系、恆星和行星。
另一種主流的理論稱為輕子發生説，其與第一種理論不同，是源於中微子。這些粒子比夸克輕得多，它們以輕快的方式穿過宇宙，並且幾乎不會停止，與任何東西相互作用。根據這一設想，除了我們所知道的常規中微子外，還有非常重的中微子。它們是如此巨大，以至於只有在宇宙大爆炸之後的巨大能量與極高温度下才會形成，而此時的宇宙是極其熾熱而稠密的。這種理論認為，當這些粒子不可避免地分裂成更小、更穩定的形態時，它們可能產生了相較於反物質的略多的物質，從而導致我們今天看到的這種情況。
日本T2K（Tokai to Kamioka）實驗的科學家發表的聲明，為輕子發生説的概念提供了有希望的印證。實驗觀察在地下300公里處穿行的中微子，在三種類型或特徵之間變化—一種叫做振盪的中微子的特殊能力。T2K研究人員在中微子中檢測到的振盪比在反中微子中檢測到的更多，這表明中微子和反中微子不僅僅是彼此的鏡像，事實上，它們的表現特徵有所不同。粒子與反物質粒子之間的這種差異被稱為CP破壞，這是探索宇宙誕生後物質的量如何超越反物質的有力線索。“我們還沒有稱這項研究為一個發現，”石溪大學的T2K小組成員Chang Kee Jung（張基榮）説。實驗現在已經排除了中微子在95?置信度下出現零CP破壞的可能性，並且顯示出關於粒子可能允許的的的最大CP破壞量的線索。然而，想要精確測量中微子和反中微子之間的差別，還需要更多的數據，或許還需要未來的實驗。
即使物理學家最終發現中微子中的CP破壞，他們也不會完全解決宇宙反物質問題。加州大學歐文分校的一位理論物理學家塞達·伊佩克（Seyda Ipek）説，這樣的發現對於證明輕子發生説是“必要但不充分的”。證明這個理論的另一個需求是中微子和反中微子最終被證明是同一回事。這看起來充滿矛盾的結論怎麼可能是真的？除了攜帶的電荷相反之外，物質和反物質可以認為是相同的。而沒有電荷的中微子，可能同時作為物質與反物質存在。
如果這種可能性是真的，它也可以解釋為什麼中微子是大約不到電子質量的六百萬分之一那麼輕。如果中微子和反中微子是相同的，它們可能獲得的質量不是像大多數粒子那樣通過與希格斯場（與希格斯玻色子有關）的相互作用，而是通過另一個叫做蹺蹺板機制的過程。它們微乎其微的質量與早期宇宙中出現的重中微子的質量成反比。伊佩克説：“當其中一個增加時，另一個就減少，就像蹺蹺板一樣。”
伊利諾伊州巴達維亞市費米國家加速器實驗室（Fermilab）的理論物理學家傑西卡·特納（Jessica Turner）説：“輕子發生説是解釋事物的一種非常優雅的方式。”“首先，你要回答為什麼物質比反物質多。其次，你要解釋為什麼中微子的質量這麼小。”中微子是它們自己對應的反物質的證據可能來自於一種尋找稱為無中微子雙β衰變的理論反應的實驗，這種反應只有在中微子能夠像物質和反物質接觸時那樣自我毀滅時才會發生。然而，即使這一發現也不能完全輕子發生説的現象發生了。特納説：“如果你測量我們所能看到的可能性最高的CP破壞，並且如果你觀察到中微子是它們自己的反粒子，我們會認為這是間接證據，而不是直接證據。”
物理學家聲稱，枱面上的另一個理論選擇，即弱電性重子形成説，可能更容易進行研究。費米實驗室理論物理部門負責人馬塞拉·卡雷納（Marcela Carena）説，儘管輕子發生過程中產生的重中微子很可能超出了粒子加速器的能力範圍，但這一理論預測的額外希格斯玻色子可能會出現在大型強子對撞機的實驗中。即使機器不能直接製造出這些希格斯玻色子的近親，它們也可以輕易地而有痕跡地與其產生的普通希格斯玻色子相互作用。
弱電性重子形成還需要宇宙中額外的CP破壞，但中微子則不需要。事實上，在夸克中已經發現了CP破壞現象，儘管由於數量很小而不能解釋物質與反物質的不平衡。這個理論沒有發現的的CP破壞可能隱藏在所謂的暗區中，即被認為構成了宇宙中大部分物質的不可見暗物質的領域。也許暗物質和暗反物質的特徵並不相同，而這種差異可以解釋我們所知的宇宙。卡雷納説：“我的工作一直試圖把宇宙中物質與反物質的不平衡聯繫到一個想法上，那就是我們知道我們需要一些迄今為止還沒有被發現的東西來解釋暗物質。”
弱電性重子形成的證據不僅可以通過探測額外的希格斯粒子，還可以通過大量尋找暗物質和暗區的實驗來獲得。此外，如果像理論所推測的那樣，在大爆炸後不久就發生了宇宙級別的相變，它可能會產生可以在未來的實驗中被發現的引力波，上述的實驗例如激光干涉儀空間天線（LISA），一種將於20世紀30年代發射的空基引力波探測器。
不過，最終，宇宙會讓我們大吃一驚。可能既沒有輕子發生過程，也沒有弱電性重子發生過程。“這並非唯二的兩個選擇，理論領域依然非常廣闊，”伊佩克説。例如，她研究了一個涉及質子和中子中夸克強相互作用中CP破壞的模型，理論家們也在研究許多其他的想法。特納説：“我認為我們需要自己去探索所有的可能性，自然自己會揭開它的秘密，我們無法控制。我們只是盡力去理解它。”
但與此同時，我們至少可以看到中微子CP破壞的確切測量結果。即將進行的項目，如深地下中微子實驗（DUNE）和T2K的繼任者Hyper Kamiokande（Hyper-K），應當具有精確計算所需的靈敏度。“T2K數據看起來非常有趣，”芝加哥大學DUNE的聯合發言人Ed Blucher説。“在即將到來的下一代實驗中，會有一些有趣的東西值得研究，這讓我非常興奮。”
作者: Clara Moskowitz
FY: 姚啊真
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