宇宙剩下的未解之謎之一:為什麼物質比反物質還多?

2020-12-03 遨遊世界科學

我們知道,關於我們宇宙剩下的其中一個未解之謎是:物質為什麼有比反物質多?然而一項研究表明奇怪的中微子行為或許可以解釋長久以來的反物質之謎!

反物質

說到這裡,或許許多人對反物質存在疑惑,什麼是反物質呢?其實很簡單,舉個例子來說,我們常說的電子,它其實是一種帶負電的亞原子粒子,通常被表示為e,電子所帶電荷為e=1.6×10-19C(庫侖)。而電子的反粒子是正電子,它帶有與電子相同的質量,能量,自旋和等量的正電荷(正電子的電荷為+1,負電子的電荷為-1),但電性相反,正電子也就是電子的反物質。由此延伸,反物質是正常物質的反狀態,科學家設想在宇宙中可能存在完全由反粒子構成的物質,也就是反物質。反物質和物質共同構成了這個宇宙,當正反物質相遇時,雙方就會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。

那麼問題來了,既然每個正物質都對應著一個反物質,那麼按理來說,宇宙的物質和反物質的量應該相等才對。但是我們一眼望去,地球上萬物都由物質構成,我們周圍的宏觀物質主要由重子數為正的質子和中子所組成,從粒子物理的角度講,正粒子和反粒子的性質幾乎完全對稱,那麼為什麼自然界有大量的正物質,而卻幾乎沒有反物質呢?按照科學家的設想,宇宙誕生之初曾經產生等量的物質與反物質,而兩者一旦接觸便會相互湮滅抵消,發生爆炸並產生巨大能量。然而,出於某種原因,當今世界主要由物質構成,反物質似乎壓根不存在於自然界。正反物質的不對稱疑難,是物理學界所面臨的一大挑戰。這也正是我們要討論的問題。

反物質之謎

看過科幻小說的朋友或許都會看到這樣一個情節,科幻作家經常喜歡在他們的星際飛船上安裝物質反物質引擎,以此來推動飛船。這是因為當物質和反物質粒子碰撞時,它們以完美的效率湮滅,轉化成100%的純能量。這樣的前提就是,科學家認為,當宇宙誕生於近140億年前時,它含有等量的物質和反物質。反物質粒子的質量與其「正常」的同類粒子相同,但電荷相反。就像電子(正常,帶負電)和正電子(反物質,帶正電)

這就是奧秘所在:如果宇宙誕生時有相同數量的粒子和反粒子,它們都應該相互發現並湮滅,使我們的宇宙完全失去它們。但這顯然沒有發生,正如人類的存在清楚地表明的那樣。結果是物質比反物質稍微多了一點,而且這個比例大約為每十億個物質對中只有一個粒子反物質對。

多年來,物理學家們已經收集到了一些關於這個過剩物質之謎的線索。例如,在20世紀60年代,他們發現夸克和反夸克的行為並不完全相同。但這種違反「宇稱守恆定律」(簡稱CP對稱)的現象,並不足以解釋物質與反物質之間的差異,這種現象就是後來著名的宇稱不守恆。所謂宇稱不守恆定律是指在弱相互作用中,互為鏡像的物質的運動不對稱的現象,提出者是李政道和楊振寧。

舉個例子來說,你在鏡子前面做一個動作,而按常理來說,鏡子裡的你也會做一樣的動作,只不過動作完全相反。但是宇稱不守恆打破了這一觀念,也就是說在鏡子裡的你雖然可能做同一個動作,但是速度和方向可能並不一致,這種現象在宏觀世界很難理解,但是粒子世界就是這樣不可思議地展現了宇稱不守恆。

不過,科學家認為這種差異的另一種可能是夸克以外的粒子。畢竟,夸克並不是唯一的亞原子粒子。它們有一個稱為輕子的親戚,而這一類包括電子、μ子、τ粒子和中微子。夸克和輕子又是費米子,是亞原子粒子的兩大類之一。另一類是玻色子,包括攜帶力的粒子,如光子、膠子、希格斯粒子和尚未證實的引力子。所以它們之間可能存在著微妙的聯繫。

不過今日,科學家早一項新的研究發現了中微子CP對稱性破壞的跡象,並得出了一些有趣的結果。這些數據主要來自位於東京市的日本質子加速器研究中心的T2K項目,該項目可以根據實驗裝置產生中微子或反中微子束。

中微子

說到中微子,它是一種非常神秘的粒子,科學家經常把它和一些未知的現象聯繫在一起,比如暗物質,反物質。科學家猜測中微子很可能是這些未知的突破口。

中微子,以接近光速運動,與其他物質的相互作用十分微弱,號稱宇宙間的「隱身人」或者「幽靈粒子」。科學界從預言它的存在到發現它,用了20多年的時間。中微子真的很難發現,但是在距離東海183英裡(295公裡)的神岡天文臺,一些中微子被地下探測器標記到了。這個探測器是一個裝滿50000公噸純淨水的水箱。當中微子與槽中的中子相互作用時,就可以產生μ子或電子,然而這些敏感的設備會把這些二次粒子收集起來。

這樣的檢測會包含很多信息。例如,當中微子移動時,它們在三種不同的「味道」之間振蕩:電子、μ子和τ。味道是科學家簡稱粒子類型的一種稱呼,味道類型決定了中子碰撞時產生的次級粒子類型。

T2K合作分析了該項目從2009年到2018年收集的數據,以及類似實驗的觀察結果。在《自然》雜誌上的這項新研究中,研究人員報告說,他們發現了中微子和反中微子以不同方式振蕩的證據。

英國達勒姆大學和伊利諾州美國能源部費米實驗室的物理學家西爾維亞·帕科利和傑西卡·特納分別表示:「研究結果排除了95%置信水平下的CP守恆(也就是說,他們認為CP已發生破壞),並顯示CP破壞參數可能很大。這些結果可能是物質起源的第一個跡象,即我們宇宙中的反物質不對稱的真相。」

然而,需要澄清的是:結果本身並不能令人信服地證明中微子和反中微子違反了CP,因為科學家僅僅是看到了一些跡象。科學家必須收集更多的數據才能確保實驗以及結論的正確性。

無論如何,中微子確實是科學家偉大的發現之一,它的神秘以及性質給我們帶來了一些線索,或者說是希望,相信在未來,我們能夠揭開這一神秘粒子的面紗!

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