為什麼在宇宙中物質比反物質多?或許中微子可以告訴我們答案

2020-11-27 騰訊網

宇宙的本質是對稱的，那麼物質世界之外是否存在著一個反物質世界？

宇宙中充滿了物質，但我們並不知道為什麼。我們知道物質是怎樣被創造出來的，甚至可以在實驗室中創造物質，但有一個問題：每次在粒子加速器中創造物質時都會得到相等數量的反物質。這在實驗室中完全沒問題，但如果大爆炸產生了同等數量的物質和反物質，則此二者早就已經相互湮滅，並且偌大的宇宙中留存的只是無窮無盡的光子，遍無物質。但你能夠讀到這裡，顯然上述假設並沒有發生。

這仍然是宇宙學中最大的謎團之一，而這一切都歸因於物理學中的對稱性，物理學中很大一部分都紮根於守恆和對稱性原理。空間似乎在所有方向上都是一樣的，所以動量是守恆的。這意味著如果你向空無一物的空間內擲一個球，它會以這種方式無休止地運動下去。時間的對稱性意味著質能守恆等等。對稱性和守恆之間的聯繫最初是由艾米 諾特發現的，現在被稱為諾特定理。

物理學中對稱的例子：因為對稱性是物理學的根基，已經有大量的研究落在了觀測對稱性如何以及何時會被打破。這在粒子物理學中尤為真實。因為粒子是在宇宙形成的初期被創造出來的，這也有助於我們理解宇宙是如何形成的。在宇宙學中，最重要的是CP對稱。

CP代表電荷奇偶性，它代表了兩種對稱的組合。電荷對稱意味著一個完全由物質構成的宇宙和一個由反物質構成的宇宙應該以同樣的方式運行。也就是說，它們應該是對稱的。奇偶性可以描述為鏡像。如果你照鏡子時舉起右手，你的形象就會舉起左手。奇偶性對稱意味著，如果宇宙中的左右進行了顛倒，什麼也不會改變。

如果CP對稱性始終存在，那我們的物質宇宙就不可能存在。但我們知道CP對稱性有時會遭到破壞。例如，在1964年，人們發現一種名為Kaon的中性粒子有兩種類型，即彼此的CP相互對偶。如果CP 對稱性是保守的，那麼這兩種Kaon 應以相同的速率衰減，但發現這兩種Kaon的衰減速率存在輕微不同，兩者的差異在1000中大約只有3個部分，但不是沒有。

一個Kaon會衰變為介子和光 圖片：K. Tobioka佛羅裡達州大學

還有其他已知的例子，但問題是，即使你把它們全部結合起來，也不足以解釋只有一個宇宙的問題。至少必須有另一種方式違反CP對稱性。基於發表在《自然》雜誌上的研究，答案可能是中微子。

中微子沒有電荷，但它們確實存在於物質和反物質形式中，所以CP對稱性仍然適用於它們。問題是他們很難被發現。即使你無法檢測到它們，也很難區分中微子和反中微子。

在最近的工作中，T2K協作將中微子束髮射到探測器中。T2K代表T，神岡中的kai，因為粒子加速器位於日本T所在的村莊，kai和中微子探測器在神岡。由於該小組控制中微子束，他們可以分辨出它們是在探測中微子還是反中微子。在十多年的數據收集中，他們發現了一種被稱為中微子振蕩的CP破壞。

物質中微子比反物質中微子更容易出現。圖片：T2K協作

中微子具有奇怪的性質，其中最奇怪的是振蕩。結果是中微子有三種類型或品種，中微子可以在每種類型之間來回振蕩。根據CP對稱性，中微子和反中微子都應該以相同的速率振蕩。但是T2K團隊發現它們以不同的速率振蕩。它們的速率是不同的，以至於它們幾乎是最不對稱的。結果，你更可能看到物質中微子而不是反物質中的微子。

雖然這可能是我們一直在尋找的關於宇宙物質的答案，但是我們應該更加謹慎的對待它。目前，關於中微子不對稱的證據還並不充分。甚至連作者們都承認他們的研究結果還不足以定論，但是這些研究結果還是非常有趣的。我們還需要更多的數據來驗證這個結論，但這是理解我們的宇宙現狀形成的重要一步。

相關知識

中微子（/nu tri no / 或 /nju tri no /)，用希臘字母ν表示，是一種費米子（一種自旋數為1/2的基本粒子），它們之間只通過微弱的亞原子引力和引力相互作用。中微子之所以如此命名是因為它是電中性的，而且它的靜止質量非常小，因此人們一直以為它的質量是0。中微子的質量比一致的其他基本粒子都要小很多，由於弱相互作用的作用距離非常短，引力相互作用極弱，並且中微子並不參與強互動作用。也正是因為這個，中微子在穿過其他正常物質的時候不會受到太多的阻礙，而且難以檢測。

弱作用產生的中微子有三種（味）：電中微子（νe）、介子中微子(νμ)、頭中微子(ντ)與相應的帶電輕子。雖然中微子一直以來被認為是無物質的，現在已知有三種離散中微子有著微小的質量，但是它們並不能分別對應這三種類型（味）。一個具有特定類型（味）的中微子在三個質量狀態下都具有相關的特定量子疊加。因此，中微子在飛行的過程中在不同的「味」之間振蕩。例如，在beta衰變反應中纏身的電子中微子可能與遠處的探測器以μ介子或tau中微子的形式互動。雖然我們到2019年才知道這三個種類（味）質量值平方的區別，但是宇宙觀測表明這三個的質量總和一定小於電子的百萬分之一。

作者：universetoday

FY：Astronomical volunteer team

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