反物質研究或可解開萬物存在之謎？

人們早就習慣了周圍的物質世界。一草一木，漫天繁星，都被看作是理所當然的事。但大多數人不知道的是，這裡隱藏著一個現代物理學中最深奧的謎題之一。

宇宙為什麼存在？

宇宙起源於138億年前的一場大爆炸。在宇宙誕生之初產生了等量的物質和反物質，理論上，每個粒子都存在一個只有電荷相反，其它性質幾乎完全相同的反物質。而物質和反物質無法在一個物理空間共存，因為二者相遇會發生湮滅，然後以光子的形式釋放能量。

奇怪的是，不知道出於什麼原因，大部分的反物質都消散於無形，現在我們能觀測到的宇宙全部由物質組成，這才使宇宙有了接下來138億年的故事，否則萬物早已湮滅。雖然物理學家針對這個問題提出了各種假說，但至今仍然沒能找到一個標準答案。

尋找反物質

1928年，保羅·狄拉克預言了反粒子的存在。4年後，卡爾·安德森首先發現了電子的反粒子——正電子，證實了狄拉克的預言。

反物質聽起來似乎很罕見，其實在香蕉中就可以發現正電子的身影。香蕉中富含鉀，平均每75分鐘就會釋放一個正電子，然後與物質電子湮滅發光。所以香蕉算得上是一種很硬核的水果了。

抵達地球的宇宙射線中也包含大量反物質，但科學家對其來源一直不是很清楚。最近的一項研究發現，這些反物質中的正電子可能來自脈衝星光暈。

脈衝星是高速旋轉的中子星，NASA的費米伽馬射線望遠鏡對距離地球較近的一顆脈衝星蓋明加（Geminga）已經進行了超過10年的觀測。

觀測數據顯示，這圈光暈與科學家用電腦生成的正電子模型完全符合。據此可推測，地球軌道附近約20%的正電子都來自這顆脈衝星。

自然界並不總是對稱的

所有物質都是由夸克和輕子組成，我們稱之為基本粒子。夸克有六種：上、下、奇異、粲、底、頂。輕子也有六種：電子、μ子、τ子和三種中微子。這12種粒子都有其相應的反物質粒子，它們的唯一區別就是擁有相反的電荷。

理論上，物質和反物質應該互為完美的鏡像對稱。但事實上並非如此。2019年，科學家在大型對撞機實驗中首次觀測到了粲粒子（包含粲夸克的粒子）衰變中的電荷-宇稱破壞，也稱之為CP破壞。通過測量Dº介子（包含粲夸克）和反Dº介子衰變為K介子-反K介子對或π介子-反π介子對的速率差異，可以發現CP破壞。

當然，少數已知的不對稱案例還無法解釋為何宇宙中的物質大量存在。但是，這或許為後續研究指明了方向。

暗物質

反物質的消失可能與暗物質的存在有關。科學家估計，常規物質只佔宇宙總能量的二十分之一，暗物質約佔六分之一，剩下部分由暗能量構成。但目前所有的實驗都沒有發現它的蹤跡。暗物質的普遍存在或許可以為科學家研究反物質的喪失提供重要線索。

物質為自身反物質

有些物質可能也是自身的反物質。埃託雷·馬約拉納於1937年提出的馬約拉納費米子就是它們自身的反粒子，這樣的粒子能夠在適當的條件下自我湮滅。

物理學家一直懷疑神秘的中微子可能屬於這一類粒子。

要揭開這個謎題需要找到無中微子雙β衰變，而這一過程在宇宙中非常罕見。 雙β衰變可以讓原子核內的兩個中子衰變為兩個質子，並產生兩個電子和兩個反中微子。如果中微子是馬約拉納粒子，雙β衰變釋放的兩個反中微子就會相互「抵消」。這也能 解釋宇宙中物質和反物質之間的不對稱。但遺憾的是，物理學家一直沒有在宇宙中找到馬約拉納費米子。