新浪科技訊北京時(shí)間4月27日，據(jù)外媒報(bào)道，為什么今天的宇宙是由物質(zhì)組成的，而不是反物質(zhì)？中微子研究的新證據(jù)為解決這個(gè)難題提供了線索。

宇宙一開(kāi)始既有物質(zhì)又有反物質(zhì)，然后只剩下物質(zhì)。為什么？這個(gè)問(wèn)題是物理學(xué)中最難的謎團(tuán)之一。幾十年來(lái)，理論物理學(xué)家提出了許多可能的理論，其中大部分都涉及到宇宙中某些未知粒子的存在。不久前，科學(xué)家宣布了一些有吸引力的發(fā)現(xiàn)，指出了一種可能的解釋理論，但他們的數(shù)據(jù)沒(méi)有給出明確的結(jié)果。不管最后的答案是什么，這個(gè)問(wèn)題的解決可能會(huì)告訴我們更多，比如揭示宇宙最早時(shí)期的秘密，甚至把現(xiàn)有的物理學(xué)和看不見(jiàn)的暗物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，而不僅僅是解釋為什么宇宙是由物質(zhì)組成的。

大多數(shù)關(guān)于物質(zhì)如何在數(shù)量上完全壓制反物質(zhì)的理論，可以分為兩大陣營(yíng)。一種理論是電弱重子數(shù)的產(chǎn)生機(jī)制。這個(gè)理論假設(shè)了希格斯玻色子的另一個(gè)版本，它與所有物質(zhì)如何獲得質(zhì)量有關(guān)。如果存在其他版本的希格斯玻色子，它們可能會(huì)在早期宇宙中引發(fā)突然的相變，類(lèi)似于水從液體變成氣體，進(jìn)而導(dǎo)致宇宙中物質(zhì)略多于反物質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)接觸時(shí)，它們會(huì)相互湮滅，所以年輕宇宙中的大部分物質(zhì)都會(huì)消失，只留下少量的剩余物質(zhì)，在我們周?chē)纬尚窍?、恒星和行星?/p>

另一個(gè)占主導(dǎo)地位的理論是輕子生成理論，它基于中微子。這些比夸克輕得多的粒子在宇宙中漂移，幾乎從未停下來(lái)與任何東西相互作用?；谶@些性質(zhì)，我們假設(shè)除了已知的常規(guī)中微子之外，還有非常重的中微子，大到只有在宇宙溫度極高、密度極高的大爆炸之后，巨大的能量和溫度才能形成。根據(jù)理論，當(dāng)這些粒子不可避免地分裂成更小更穩(wěn)定的粒子時(shí)，它們可能會(huì)產(chǎn)生比反物質(zhì)多一點(diǎn)的物質(zhì)，從而形成我們今天看到的不對(duì)稱情況。

一個(gè)實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)謎題

最近，日本T2K實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家宣布了一個(gè)消息，為輕子生成理論提供了有希望的證據(jù)支持。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，人們觀察到中微子在地下300公里的傳播過(guò)程中，在三種不同的口味之間發(fā)生了變化——這種中微子的獨(dú)特能力被稱為振蕩。T2K實(shí)驗(yàn)的研究人員發(fā)現(xiàn)中微子的振蕩比反中微子多，表明它們不僅是彼此的鏡像，而且實(shí)際行為也不同。粒子與其對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)的區(qū)別被稱為“CP毀滅”，被認(rèn)為是探索宇宙誕生后物質(zhì)如何超越反物質(zhì)的重要線索。

目前實(shí)驗(yàn)已經(jīng)以95%的置信度排除了中微子沒(méi)有CP損傷的可能性，這也暗示了允許中微子表現(xiàn)出CP損傷的最大可能性。然而，我們需要更多的數(shù)據(jù)，也許在未來(lái)需要更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)精確測(cè)量中微子和反中微子之間的差異。

即使物理學(xué)家最終發(fā)現(xiàn)了中微子的CP破壞，也不能完全解決宇宙中缺少反物質(zhì)的問(wèn)題。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于證明輕子生成理論是“必要的，但還不夠”。這個(gè)理論的另一個(gè)要求是中微子和反中微子實(shí)際上是同一種粒子。這種明顯的矛盾可能嗎？物質(zhì)和反物質(zhì)除了電荷相反外，都具有相同的特性，所以不帶電荷的中微子可能同時(shí)具有這兩種性質(zhì)。

如果這種可能性得到證實(shí)，就可以解釋中微子為什么這么輕——不到電子質(zhì)量的6萬(wàn)倍。如果中微子和反中微子是一樣的，那么它們可能不會(huì)像大多數(shù)粒子一樣，通過(guò)與希格斯場(chǎng)的相互作用而獲得質(zhì)量，而是通過(guò)另一種叫做蹺蹺板機(jī)制的過(guò)程。它們的微小質(zhì)量與早期宇宙產(chǎn)生的重中微子質(zhì)量成反比。一個(gè)上升一個(gè)下降，就像蹺蹺板一樣。

輕子生成理論是一種非常優(yōu)雅的解釋方式。首先，這回答了為什么物質(zhì)比反物質(zhì)多；其次，也解釋了為什么中微子質(zhì)量這么小。中微子本身就是反物質(zhì)的證據(jù)，可能來(lái)源于一個(gè)叫做“無(wú)中微子雙β衰變”的理論反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。只有中微子能像物質(zhì)和反物質(zhì)一樣自我湮滅，這種反應(yīng)才會(huì)發(fā)生。但是，即使發(fā)現(xiàn)了這種情況，輕子生成理論也不能完全得到證明。

與暗物質(zhì)的聯(lián)系

物理學(xué)家說(shuō)，另一個(gè)理論選擇——電弱重子數(shù)的產(chǎn)生機(jī)制——可能更容易研究。雖然輕子產(chǎn)生過(guò)程中產(chǎn)生的重中微子很可能超出了粒子加速器的能力，但這個(gè)理論預(yù)測(cè)的其他希格斯玻色子可能會(huì)出現(xiàn)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上。即使對(duì)撞機(jī)不能直接產(chǎn)生希格斯玻色子的其他版本，它們可能與傳統(tǒng)的希格斯玻色子有微妙但可檢測(cè)的相互作用。

電弱重子的形成也需要宇宙中額外的CP破壞，但不一定與中微子有關(guān)。事實(shí)上，在夸克中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了CP破壞。雖然數(shù)量很少，但不足以解釋物質(zhì)和反物質(zhì)的不平衡。這個(gè)理論中缺失的CP損傷可能隱藏在所謂的“黑暗部分”——有一種理論認(rèn)為暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙中的大部分物質(zhì)空。也許暗物質(zhì)和黑暗反物質(zhì)的行為不同，這種差異可以解釋我們所知的宇宙。

電弱重子產(chǎn)生機(jī)制的證據(jù)不僅可以通過(guò)探測(cè)額外的希格斯粒子獲得，還可以通過(guò)大量尋找暗物質(zhì)和“暗場(chǎng)”的實(shí)驗(yàn)獲得。另外，如果宇宙的相變發(fā)生在大爆炸之后不久，如理論假設(shè)的那樣，可能會(huì)產(chǎn)生引力波。我們也許可以在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到這些引力波，比如通過(guò)激光干涉空天線，一種基于Tai 空的引力波探測(cè)器，將于30年代發(fā)射。

然而，宇宙最終可能出乎我們的意料。也許輕子生成和電弱重子生成并沒(méi)有發(fā)生。比如科學(xué)家最近研究了一個(gè)涉及質(zhì)子和中子之間強(qiáng)夸克相互作用中CP破壞的模型，其他理論物理學(xué)家也在研究很多不同的理論。

與此同時(shí)，中微子CP破壞的最終測(cè)量指日可待。即將到來(lái)的項(xiàng)目，如地下深處的中微子實(shí)驗(yàn)和T2K的后繼實(shí)驗(yàn)“超級(jí)神龍”應(yīng)該具有精確計(jì)算所需的靈敏度。T2K實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)看起來(lái)很有趣，下一代實(shí)驗(yàn)中還會(huì)有一些更有趣的值得研究的東西，讓科學(xué)家們非常興奮。