大爆炸以某種方式造成了反物質的過剩。一項新的研究表明,旋轉的能量場可以解釋物質與反物質在數量上的不對稱性的。長久以來,物理學家一直假設存在一種叫做軸子的微小粒子,它可以單獨解決兩個謎題。它可以解釋夸克的一個令人困惑的性質,夸克是質子和中子內部的基本粒子,它還可以構成充滿宇宙的暗物質。一篇《物理評論快報》上的論文的作者們指出,軸子可能解釋為什麼宇宙中物質比反物質多得多的問題。
我們發現了軸子的一些新動態,它們產生了物質-反物質的不對稱性,研究人員說。物理學家麥可·丁是研究軸子的主要專家,他稱軸子可能在宇宙學中發揮重要作用。
這個粒子的想法來自物理學家羅伯託·佩西和海倫·奎因的工作,他們在1977年設想了一個能量場貫穿整個空間。他們證明,這個能量場將解決「強CP問題」——可以說是自然界最大的謎團。這個問題問的是,為什麼強核力對夸克的影響與它對鏡中反夸克的影響完全一樣,這就是為什麼力遵守電荷奇偶性(或CP)對稱性的原因。
這個問題可以歸結為問,為什麼描述這個強大的力的方程中的某個角的值為零。角度θ可能在零到360度之間變化,表示夸克和鏡像反夸克之間的差異度。與弱核力有關的相似角度的值約為43.5度。但是測得的θ小於0.000000001度。
佩西和奎因的能量場使θ在宇宙誕生時自然降至零。諾貝爾獎獲得者弗蘭克·威爾切克和史蒂芬·溫伯格研究了與磁場相關的粒,命名為軸子。研究人員後來意識到,不可見的軸粒子可能具有適合暗物質的性質,即宇宙中缺失的六分之五。軸子現在是暗物質的主要「候選者」之一,它仍然是強CP問題最著名的解決方案。
但是,在宇宙誕生之後的一秒鐘之內,當θ降到零時,又發生了另一件神秘的事情:產生的物質粒子多於反物質粒子。如果這沒有發生,那麼等量的物質和反物質將相互消滅,我們將不存在。
研究還發現在宇宙誕生後的十億分之一秒內,軸離子場穩定下來,θ可能沒有直接降至零;相反,它可能一直在0到360度之間循環。這將導致軸離子場旋轉,產生物質多於反物質。
為了理解軸子場的旋轉如何解釋物質-反物質的不對稱性,可以想像一個酒瓶的底部,想像一頂帽子,有一個非常高的帽簷。這是定義軸力場的數學函數的形狀。θ對應於帽子周圍的角位置,並且帽子的冠部或側面的高度反映了視野中的能量。
從理論上講,當軸流場在宇宙早期出現時,其效果就像一顆大理石落在墨西哥帽沿上。大理石的位置反映了場的性質。
「墨西哥帽」勢是一個數學函數,它定義了早期宇宙中軸子場的可能狀態。一篇新論文認為,當墨西哥帽達到最低能量狀態時,軸離子場會圍繞它旋轉,從而導致宇宙的物質-反物質不對稱。自然,大理石將滾沿向帽子的中心。佩西和奎因的計算表明,帽子——定義磁場的數學函數——將會以某種方式傾斜,使大理石球自然地落在帽子的最低點,角度為0度。墨西哥帽子傾斜的方向為零,因為在這個模型中,任何其他θ值都會消耗能量。
在這項新研究中,Co和Harigaya認為,這頂帽子不會像佩西和奎因想像的那樣。自上世紀70年代末以來,研究人員主要是在沒有其他領域投入的情況下,在真空中研究「帽子」。但是Co和Harigaya現在知道了一個猜想,這個猜想越來越得到量子引力研究者的支持,即在自然界中可能不存在完美對稱。因此,定義軸力場的數學函數不可能完全相同。其他的量子力一定以某種方式影響了軸離子場,使得帽沿擺動。
這些擺動意味著大理石在沿邊緣滾動時不會在θ= 0的位置上掉落。相反,大理石會被擺動向側面,這會使大理石繞轉帽子的角度坐標θ在0到360之間循環。隨著磁場與其他物質場相互作用而產生摩擦,大理石的旋轉速度將逐漸降低。軸力場的動能會溢出到其他場中並產生粒子。
因為"大理石"是逆時針方向旋轉的,所以它會在粒子物理方程中加入一個正號,從而產生電子和類電子粒子,而不是反物質粒子。這種電子過剩將導致今天所觀察到的夸克過剩。Co說:「我們必須要有一半的運氣」才能得到正確的旋轉方向和正確的符號。「但事實證明,如果我們走另一條路,我們仍然會稱自己為物質,而不是反物質。」
Co和Harigaya的模型預測存在與希格斯玻色子有關的新粒子,但重量是希格斯玻色子的十倍。如果我們要求通過發現的新動力學解釋暗物質和物質-反物質的不對稱性,那麼這種類似希格斯玻色子的存在實際上是一種(確定的)預測。」
預測的粒子質量太大,歐洲大型強子對撞機無法發現,但它可能與計劃於2027年啟動的大型強子對撞機(LHC)或未來更高能量的粒子對撞機一起被發現。
即使粒子沒有出現,Co和Hariyaga模型的變化也可能做出不同的預測。旋轉軸離子場是一個相對簡單的概念,儘管計算起來很複雜。人們需要考慮的不僅僅是逐漸減少這種運動,而是軸子擺動這頂墨西哥帽子的可能性,以及可能產生的後果。」
但無論軸子能否解決兩個或三個關於自然的大難題,也許在基礎物理學中即將出現的最重要的實驗是尋找軸子。如果這能起到鼓勵作用,那就再好不過了。