反物质|反物质的发现揭示了宇宙起源的线索
来自中微子的新证据指向了关于为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的几种理论之一 。 一开始有物质和反物质 ， 然后只有物质 。 这个问题是定义物理学的奥秘之一 。 上周 ， 科学家们宣布了一项诱人的发现 ， 解决这个问题可能会告诉我们更多 ， 而不仅仅是我们为什么生活在一个物质的宇宙中——它可能会揭露宇宙最早时代的秘密 ， 甚至会把我们所不知道的看不见的暗物质联系起来 。
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【反物质|反物质的发现揭示了宇宙起源的线索】最初 ， 物质与反物质都存在 ， 然而到后来就只有物质了 。 这是为什么呢？这个问题是定义物理学的谜团之一 。 几十年来 ， 理论物理学家们已经提出了可能的解释 ， 其中大部分涉及到宇宙中已知物种之外的额外粒子的存在 。 上周 ， 科学家们宣布了一项诱人的发现 ， 指出了一种可能的解释 ， 然而这些数据并没有形成一种精确地发现 。 然而 ， 不管最终的答案是什么 ， 解决这个问题可能不仅能告诉我们 ， 为什么我们生活在一个物质的宇宙中 ， 它可以揭露宇宙最早时代的秘密 ， 或者甚至把我们与使科学家们困惑的不可见的暗物质联系起来 。
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关于物质如何压倒反物质的大多数理论分为两大流派 。 其一称为弱电性重子形成说 ， 提出了希格斯玻色子的另一种形态 ， 即与其他物质获得质量的方式有关的粒子 。 如果这些希格斯玻色子的近亲存在的话 ， 它们自然可以有助于引发一个突然的相变 ， 类似于水从液态变成气态时的过程 。 在宇宙早期 ， 这种相变可能导致空间中的物质比反物质略多 。 当物质和反物质接触时 ， 它们会相互湮灭 ， 所以年轻宇宙中的大部分物质都已经被摧毁 ， 只留下一小部分剩余的物质 ， 最终形成了我们周围的星系、恒星和行星 。
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另一种主流的理论称为轻子发生说 ， 其与第一种理论不同 ， 是源于中微子 。 这些粒子比夸克轻得多 ， 它们以轻快的方式穿过宇宙 ， 并且几乎不会停止 ， 与任何东西相互作用 。 根据这一设想 ， 除了我们所知道的常规中微子外 ， 还有非常重的中微子 。 它们是如此巨大 ， 以至于只有在宇宙大爆炸之后的巨大能量与极高温度下才会形成 ， 而此时的宇宙是极其炽热而稠密的 。 这种理论认为 ， 当这些粒子不可避免地分裂成更小、更稳定的形态时 ， 它们可能产生了相较于反物质的略多的物质 ， 从而导致我们今天看到的这种情况 。
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日本T2K（Tokai to Kamioka）实验的科学家发表的声明 ， 为轻子发生说的概念提供了有希望的印证 。 实验观察在地下300公里处穿行的中微子 ， 在三种类型或特征之间变化—一种叫做振荡的中微子的特殊能力 。 T2K研究人员在中微子中检测到的振荡比在反中微子中检测到的更多 ， 这表明中微子和反中微子不仅仅是彼此的镜像 ， 事实上 ， 它们的表现特征有所不同 。 粒子与反物质粒子之间的这种差异被称为CP破坏 ， 这是探索宇宙诞生后物质的量如何超越反物质的有力线索 。 “我们还没有称这项研究为一个发现 ， ”石溪大学的T2K小组成员Chang Kee Jung（张基荣）说 。 实验现在已经排除了中微子在95%的置信度下出现零CP破坏的可能性 ， 并且显示出关于粒子可能允许的的的最大CP破坏量的线索 。 然而 ， 想要精确测量中微子和反中微子之间的差别 ， 还需要更多的数据 ， 或许还需要未来的实验 。
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即使物理学家最终发现中微子中的CP破坏 ， 他们也不会完全解决宇宙反物质问题 。 加州大学欧文分校的一位理论物理学家塞达·伊佩克（Seyda Ipek）说 ， 这样的发现对于证明轻子发生说是“必要但不充分的” 。 证明这个理论的另一个需求是中微子和反中微子最终被证明是同一回事 。 这看起来充满矛盾的结论怎么可能是真的？除了携带的电荷相反之外 ， 物质和反物质可以认为是相同的 。 而没有电荷的中微子 ， 可能同时作为物质与反物质存在 。
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如果这种可能性是真的 ， 它也可以解释为什么中微子是大约不到电子质量的六百万分之一那么轻 。 如果中微子和反中微子是相同的 ， 它们可能获得的质量不是像大多数粒子那样通过与希格斯场（与希格斯玻色子有关）的相互作用 ， 而是通过另一个叫做跷跷板机制的过程 。 它们微乎其微的质量与早期宇宙中出现的重中微子的质量成反比 。 伊佩克说：“当其中一个增加时 ， 另一个就减少 ， 就像跷跷板一样 。 ”
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