科學最大的奧秘之一就是為什麼有東西而不是虛無。根據我們最好的科學理論,宇宙應該由無特徵的能量浴組成。然而,這一預測顯然是錯誤的。儘管科學家發現了一些解決問題的方法,但這仍然是一個懸而未決的問題。大型強子對撞機合作組織最近發布的一篇論文,使用了世界上最強大的粒子加速器大型強子對撞機,使我們更加困惑。
愛因斯坦的E = mc可能是有史以來最著名的科學方程式。這個簡單的方程式表示能量(E)等於質量(m)乘以常數(c)。更通俗地說,它可以將能量轉換為物質,然後再返回。但是,您需要更加謹慎。從技術上講,它可以將能量轉換為等量的物質和反物質。
反物質是物質的表親。實際上,物質-反物質是物質的陰陽兩方面。如果您將物質和反物質結合在一起,它將產生能量,而且會產生很多能量。結合一克物質和反物質,其結果是釋放出與廣島原子彈爆炸相當的能量。
反物質是1931年發現的,其存在已為科學界所普遍接受。但是,它在宇宙中很稀少,反物質與物質的數量上差異是一個巨大的科學謎團。這是因為,根據我們對宇宙如何形成的最佳理解,應該反物質與物質一樣多。
目前,我們接受的宇宙起源理論被稱為「大爆炸」。最初,宇宙更小,更熱,並且已經膨脹和冷卻了近138億年。在更早更熱的階段,宇宙充滿了能量。並且,在有很多能量的地方,應該有相等數量的物質和反物質。這意味著在大爆炸之後不久,宇宙就應該包含物質和反物質。然後,隨著宇宙的膨脹,物質和反物質應該相互碰撞,留下了巨大而毫無特徵的能量。
但這顯然是不正確的。我們的宇宙由物質和能量組成,但找不到大量的反物質。而且,考慮到物質圍繞著我們,似乎在早期的宇宙中一定有某種物質支持物質而不是反物質。
在1960年代,科學家發現,當他們在粒子加速器中製造一種稱為K介子的物質時,與反物質加速器相比,他們稍微偏愛K介子。
最近,大型強子對撞機的科學家正在研究另一種介子形式的介子,稱為B介子。介子,像質子和中子一樣,由稱為夸克的較小粒子組成。但是,儘管質子包含三個夸克,但是介子都包含一個夸克和一個反物質夸克。不同類型的介子包含夸克和反夸克的不同混合物。
電中性B介子包含一個d型夸克和一個反物質b型夸克。反物質中性B介子具有相反的夸克含量-b型夸克和反物質d型夸克。
由於兩種夸克(b型和d型)具有相同的電荷,因此在B介子內部,兩種夸克可以通過複雜的相互作用交換物質和反物質。因此,中性B介子可以轉換為反物質中性B介子並再次返回。實際上,粒子每秒來回振蕩萬億次。
科學家發現來回振蕩並不完全均勻。通過觀察中性B介子到另外兩個(更輕)介子的特定衰變,即K介子和π(pi)介子,科學家觀察到B介子在兩個州的分布均不相同。中性B介子稍微偏愛(55%vs 45%),是d型夸克和b型反夸克。
現在,這種不對稱還不足以解釋為什麼我們的宇宙是由物質而不是反物質構成的,但這是有力的線索。這也清楚地表明,至少有一些亞原子過程使物質勝於反物質。
但是,另一項研究不是研究中性B介子,而是研究帶電荷的介子。當研究人員再次研究這些粒子衰減為K和π介子時,他們發現在衰減中沒有偏愛。這非常神秘,科學家非常困惑,為什麼宇宙應該對中性B介子表現出對物質的偏愛,而不對帶電介子表現出偏愛。
目前尚不清楚這種分歧正在告訴我們什麼信息。這可能僅意味著現有理論需要進行一些細微調整,但這很可能成為宇宙為何完全由物質組成的問題的重要線索,實際上是我們為什麼存在的問題。
現在說答案將為時過早,但這是科學在很多時候所採用的方式。這裡有一個線索,那邊的一個特點,或偶爾的松線可能只是一個很小的發現。或者,有時,當您拉扯毛衣上的那松線時,整個事情就會散亂,您不得不重新編織一件全新的毛衣。
大型強子對撞機的運營已經進行了兩年的翻新和升級。預計將在2021年3月恢復,但新冠大流行造成了短暫的延誤,現在定於5月恢復。有了新數據,也許研究人員將能夠對所有數據進行整理。