反物質(zhì)宇宙去哪里了？日本科學(xué)家最新成果暗示一種可能的原因

騰訊太空訊 科學(xué)家認(rèn)為，大約140億年前，也就是宇宙誕生之時(shí)，就包含了等量的物質(zhì)和相應(yīng)的反物質(zhì)。反物質(zhì)粒子的質(zhì)量與常規(guī)物質(zhì)粒子的相同，但電荷相反。

一個(gè)典型例子就是帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的正電子。當(dāng)物質(zhì)粒子和反物質(zhì)粒子碰撞時(shí)，會(huì)以完美的效率湮滅，轉(zhuǎn)化為100%的純能量。

但其中有個(gè)問(wèn)題，如果宇宙誕生時(shí)粒子和反粒子的數(shù)量相等，雙方都應(yīng)該會(huì)找到對(duì)方并消滅對(duì)方，從而在宇宙中全然消失。

顯然，這件事沒發(fā)生，因?yàn)樾乔蚝腿祟惖拇嬖诰褪亲C明。結(jié)果是，物質(zhì)比反物質(zhì)多了一點(diǎn)點(diǎn)，每10億對(duì)物質(zhì)與反物質(zhì)中，多出1個(gè)物質(zhì)粒子。

理論上講，對(duì)于每一種物質(zhì)粒子，都有一種反物質(zhì)粒子與之完全匹配，只是電荷相反。這一概念叫做CP對(duì)稱。因?yàn)樵缙谟钪嬷?，還有些物質(zhì)幸存下來(lái)，這就說(shuō)明物質(zhì)與反物質(zhì)間還有不對(duì)稱，這種不對(duì)稱就稱為CP破壞。

多年來(lái)，物理學(xué)家對(duì)于這個(gè)多出來(lái)的物質(zhì)，已收集了一些線索。比如，上世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)夸克與反夸克的行為并不完全相同。但是這種違反CP對(duì)稱的現(xiàn)象，還不足以解釋物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱。

不過(guò)，這也可能是另一種類型的對(duì)稱性破壞。畢竟，構(gòu)成質(zhì)子和中子的基本粒子夸克，并不是唯一的亞原子粒子。與夸克相近的還有輕子，而輕子又包括電子、μ子、τ粒子和中微子。

據(jù)外媒報(bào)道，一項(xiàng)致力于尋找中微子中CP破壞跡象的新研究現(xiàn)已得出一些有趣的結(jié)果。

數(shù)據(jù)主要來(lái)自T2K項(xiàng)目。該項(xiàng)目在日本東海質(zhì)子加速器研究中心進(jìn)行，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，以產(chǎn)生中微子或反中微子束。

束流中的絕大多數(shù)的中微子都能穿過(guò)地球，好像地球根本不存在一樣。但是，在距東海質(zhì)子加速器研究中心295公里的神岡探測(cè)器標(biāo)記到了一些中微子。

該探測(cè)器包含一個(gè)裝滿5.5萬(wàn)噸純水的容器。當(dāng)中微子與容器中的中子相互作用時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)μ子或一個(gè)電子。靈敏的儀器就會(huì)把這些次級(jí)粒子收集起來(lái)。

比如，當(dāng)中微子移動(dòng)時(shí)，會(huì)在電子中微子、μ子中微子和τ子中微子之間振蕩。

在不同粒子間振蕩，決定了其與中子碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生何種次級(jí)粒子。這類探測(cè)能獲取很多信息。

T2K團(tuán)隊(duì)分析了該研究從2009年到2018年收集的數(shù)據(jù)，以及類似實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果。

該新研究于4月15日發(fā)表在《自然》雜志網(wǎng)絡(luò)版上。研究人員報(bào)告稱，他們發(fā)現(xiàn)了中微子和反中微子以不同方式振蕩的證據(jù)。

“結(jié)果以95%的可信度水平排除了CP對(duì)稱（換言之，研究人員認(rèn)為CP破壞已經(jīng)發(fā)生），并表明CP破壞系數(shù)可能很大，”

英國(guó)杜倫大學(xué)物理學(xué)家西爾維亞·帕斯科利(Silvia Pascoli)和美國(guó)能源部費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的杰西卡·特納(Jessica Turner)在該期網(wǎng)絡(luò)雜志“新聞與觀點(diǎn)”中寫道。

“這些結(jié)果，可能是宇宙中物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱起源的第一個(gè)指示，”帕斯科利和特納補(bǔ)充道。這兩位科學(xué)家未參與這項(xiàng)新研究。

不過(guò)，需要明確的是，這些結(jié)果本身并不能絕對(duì)證明中微子和反中微子的CP破壞。

“我們看到了一些指示，目前的結(jié)果是觀測(cè)CP破壞的一個(gè)重要步驟，”新研究第一作者、日本京都大學(xué)的Atsuko K. Ichikawa寫道。他也強(qiáng)調(diào)，下一步研究將需要更多數(shù)據(jù)。

令人振奮的是，幾項(xiàng)新的中微子實(shí)驗(yàn)已在進(jìn)行中。比如，與T2K相似，但比T2K更強(qiáng)大的日本T2HK項(xiàng)目，已于2月被正式批準(zhǔn)。

此外，深層地下中微子實(shí)驗(yàn)(DUNE)，即從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)射粒子束至南達(dá)科他州探測(cè)器，計(jì)劃在本世紀(jì)20年代中期上線。

帕斯科利和特納表示，T2HK和DUNE在技術(shù)和測(cè)量上互為補(bǔ)充，在未來(lái)15尋找CP破壞的過(guò)程中，兩者可能會(huì)出一個(gè)明確答案。

翻譯：羽佳 審核：?jiǎn)梯x