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一種關於為什麼宇宙是由物質而不是反物質組成的理論。
在宇宙開端，世界上存在著物質和反物質，後來只剩下物質了。這是為什麼？這個問題是物理學中具有決定性意義的謎團之一。幾十年來，理論家們一直在嘗試想出潛在的解決方案，其中大多數涉及到宇宙中已知粒子以外存在的額外粒子的問題。
科學家宣佈了一項令人興奮的發現，指出了一種可能的解決方案，但資料並未得出決定性的發現。無論最終答案是什麼，解決這個問題可能會告訴我們更多，不僅僅能夠告訴我們，為什麼我們生活在一個物質宇宙中，它還可能會揭示宇宙最早時代的秘密，甚至將我們與科學家都難以弄清的無形暗物質聯絡起來。
大多數關於物質如何勝過反物質的理論主要分為兩大陣營。其中一種理論弱電重子生成（electroweak baryogenesis），它提出了基於希格斯玻色子的一些粒子——這種粒子與萬物如何獲得質量有關。如果這些希格斯表親存在，他們可能幫助引發了一場突然的相變，類似於宇宙早期水從液體轉變為氣體時的轉變，這可能導致太空中物質略多於反物質。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會被摧毀，只留下少量過剩的物質來形成我們周圍的星系、恆星和行星。
另一種主要的理論被稱為“輕子起源”（leptogenesis），它源於中微子。這些粒子比夸克輕得多，以輕盈的方式穿過宇宙，幾乎不會停下來與任何東西相互作用。根據這種設想，除了我們所知的常規中微子外，還有非常重的中微子，它們是如此巨大，以至於只有在宇宙非常炎熱和密集的時候，才可能是從大爆炸之後存在的巨大能量和溫度中鍛造出來的。人們認為，當這些粒子不可避免地分解成更小、更穩定的物種時，它們產生的物質可能比反物質的副產品略多，導致了我們今天看到的現象。
兩個謎團最終和成為一個最終奧秘
日本東海至神岡T2K（Tokai To Kamioka）實驗的科學家們最近宣佈的這一訊息，為輕子起源的概念提供了充滿希望的發現。這項實驗觀察了中微子在地下300公里處穿行，並在三種類型之間變化的過程——這是中微子的一種特殊能力，稱為振盪。T2K研究人員在中微子中檢測到比反中微子更多的振盪，這表明兩者不僅僅只是彼此的映象，在實際上會有不同的表現。
粒子和反物質之間的這種差異被稱為CP破壞，這是探索宇宙誕生後物質是如何超越反物質的有力線索。石溪大學（Stony Brook University）的T2K團隊成員Chang Kee Jung說：“我們還不認為這能夠成為一項發現。”實驗現在已經以95%的置信度排除了中微子有零CP破壞的可能性，它表現出粒子可能顯示出允許的最大可能的CP破壞。然而，需要更多的資料，可能還需要未來的實驗，才能準確地測量中微子和反中微子到底有多大的不同。
即使物理學家在中微子中明確發現了CP破壞，他們也不能完全解決宇宙反物質問題。加州大學歐文分校的理論物理學家塞達·伊佩克（Seyda Ipek）說，這樣的發現對於證明輕子起源是“必要的，但還不夠”。該理論的另一個要求是，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麼可能發生呢？物質和反物質被認為是相同的，除了相反的電荷。中微子不帶電荷，可能兩者同時存在。
如果這種可能性是真的，它也可以解釋為什麼中微子如此之輕——也許還不到電子質量的六百萬分之一。如果中微子和反中微子是相同的，它們可能不會像大多數粒子那樣透過與希格斯場（與希格斯玻色子相關）的相互作用來獲得質量，而是透過另一種稱為蹺蹺板機制的過程獲得質量。它們的微小質量將與早期宇宙中出現的重中微子的質量成反比。“當一個向上時，另一個就會向下，就像蹺蹺板一樣，”伊佩克說。
位於伊利諾伊州巴達維亞的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）說：“細粒發生學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。第二，你要解釋為什麼中微子的質量這麼小。”
中微子是自己反物質的對應物的證據可能來自於尋找一種名為無中微子雙β衰變的理論化反應的實驗，這種反應只有在中微子能夠像物質和反物質接觸時那樣湮滅自己的情況下才會發生。然而，即使這一發現也不能完全證明輕子起源的過程發生過。“如果你測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，我們會只能說這是間接證據，而不是直接證據，”特納說。
與黑暗的一部分連線
物理學家說，擺在桌面上的另一種理論選擇——弱電重子發生——可能更容易研究。費米實驗室理論物理系主任瑪塞拉·卡萊納（Marcela Carena）表示，儘管與細微形成有關的重中微子的產生很可能超出粒子加速器的能力，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上。即使機器不直接製造它們，這些希格斯近親也可以微妙但可察覺地與它產生的傳統希格斯玻色子相互作用。
弱電重子的發生也需要宇宙中額外的CP破壞，但不需要特別在中微子中。事實上，在夸克中已經發現了CP破壞，儘管數量如此之少，以至於它不能解釋物質-反物質的不平衡。這一理論缺失的CP破壞可能隱藏在所謂的暗區——被認為構成了太空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行為不同，這種差異可以解釋我們所知的宇宙。卡雷納說：“我的工作一直試圖將宇宙中物質-反物質的不平衡與我們需要一些迄今未見過的東西來解釋暗物質的想法聯絡起來。”
電弱重子發生的證據不僅可以透過探測額外的希格斯粒子來尋找，還可以透過尋找暗物質和暗扇區的大量實驗來獲得。此外，如果宇宙相變發生在宇宙大爆炸之後不久，正如理論假設的那樣，它可能已經產生了引力波，這些引力波可能會被未來的實驗發現，比如鐳射干涉儀空間天線（LISA），這是一種將於本世紀30年代發射的天基引力波探測器。
不過最終宇宙可能會讓我們大吃一驚。可能既沒有“輕子起源”，也沒有弱電重力化發生。“這並不是唯一的兩個選擇——理論領域非常廣闊，”伊佩克說。例如，她最近研究了一個模型，該模型涉及質子和中子內部夸克的強相互作用中的CP破壞，而理論家們也在研究許多其他的想法。特納說：“我認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，我們無法控制。我們只能盡最大努力去理解它。”
與此同時，對中微子CP破壞的確切測量至少近在眼前。即將到來的專案，如深地中微子實驗和T2K的繼任者超神岡（Hyper-K），應該具有精確計算所需的靈敏度。芝加哥大學的沙丘聯合發言人Ed Blucher說：“T2K資料看起來十分有趣。”“在即將到來的下一代實驗中，將會有一些有趣的東西可供研究，這讓我非常興奮。”
BY: scientificamerican
FY: 羅導
如有相關內容侵權，請在作品釋出後聯絡作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處
