为什么今天的宇宙是由物质而不是反物质组成的?中微子研究新证据(弃宇宙为什么下架了)

新浪科技讯 据外国媒体报道，为什么今天的宇宙是由物质而不是反物质组成的？中微子研究的新证据为回答这个问题提供了线索。

起初宇宙既有物质又有反物质，后来只剩下物质了。为什么？这个问题是物理学中最难解的奥秘之一。几十年来，理论物理学家提出了许多可能的理论，其中大多数涉及宇宙中一些未知粒子的存在。不久前，科学家们宣布了一些有吸引力的发现，指向了可能的解释理论，但他们的数据没有给出明确的结果。无论最终的答案是什么，解决这个问题可能会告诉我们更多，比如揭示宇宙最早的秘密，甚至将现有的物理学与看不见的暗物质联系起来，而不仅仅是解释为什么宇宙是由物质组成的。

大多数关于物质是如何在数量上完全压制反物质的理论可以分为两个阵营。一种理论是电弱重子数产生机制（electroweak baryogenesis，简称EWBG）。该理论假设了另一个希格斯玻色子版本，希格斯玻色子与如何获得所有物质的质量有关。如果有其他版本的希格斯玻色子，它们可能会在宇宙早期引起突然的相变，类似于水从液体到气体的转变，导致宇宙中的物质略多于反物质。当物质与反物质接触时，它们会相互湮灭，所以年轻宇宙中的大部分物质会消失，只留下少量剩余物质，形成我们周围的星系、恒星和行星。

另一种主导理论是“轻子生成理论”（leptogenesis），以中微子为基础。这些粒子比夸克轻得多，飘渺地穿过宇宙，几乎从不停止与任何东西作用。基于这些性质，我们认为除了已知的传统中微子外，还有一个非常重的中微子，它们是如此巨大，以至于它们只能在大爆炸后形成巨大的能量和温度，而宇宙的温度非常高，密度非常高。该理论认为，当这些粒子不可避免地分裂成更小、更稳定的粒子时，它们可能会产生比反物质多一点的物质，从而形成我们今天看到的不对称。

一个实验，两个谜题

最近，日本T2K实验科学家宣布，为轻子生成理论提供了有前途的证据支持。该实验观察到，在地下300公里的传播过程中，中微子在三种不同的味道之间发生了变化——这种独特的中微子能力称为振荡。T2K实验的研究人员在中微子中发现了比反中微子更多的振荡，表明两者不单单是互为镜像，而且在实际行为上也有所不同。粒子与相应反物质的差异称为“CP破坏”，它被认为是探索宇宙诞生后物质如何超越反物质的重要线索。

目前，该实验已以95%的信心排除中微子CP破坏的可能性，这也暗示了中微子允许显示出CP破坏的最大可能性。然而，为了准确测量中微子和反中微子之间的差异，我们需要更多的数据或未来的实验。

即使物理学家最终发现了中微子CP它们不能完全解决宇宙中缺乏反物质的问题。这一发现证明了轻子生成理论“必要的，但还不够”。该理论的另一个要求是，中微子和反中微子实际上是相同的粒子。这种明显的矛盾可能吗？除电荷相反外，物质和反物质的其它特性都是一样的，所以没有电荷的中微子也有这两种特性。

如果证实了这种可能性，可以解释为什么中微子这么轻。——电子质量不到6万分之一。如果中微子和反微子相同，它们可能不会通过与希格斯场（与希格斯玻色子相关）的相互作用获得质量，而是通过另一种叫做跷跷板机制（seesaw mechanism）的过程。它们的小质量与早期宇宙中产生的重中微子的质量成反比，一个上升，另一个下降，就像跷跷板一样。

轻子生成理论是一种非常优雅的解释方法。首先，这回答了为什么物质比反物质多；其次，这也解释了为什么中微子的质量这么小。中微子本身就是其对应反物质的证据，可能来自一个名称“无中微子双贝塔衰变”在理论反应实验中，这种反应只发生在中微子能像物质与反物质接触时那样自我湮灭的情况下。然而，即使发现了这种情况，也不能完全证明轻子生成的理论。

连接暗物质

物理学家说，另一种理论选择——电弱重子数产生机制——研究可能更容易。虽然轻子生成过程中产生的重中微子可能超出粒子加速器的能力范围，但理论预测的其他希格斯玻色子可能出现在大型强子对撞机上。即使碰撞机不能直接制作希格斯玻色子的其他版本，它们也可能与传统希格斯玻色子发生微妙但可探测的相互作用。

电弱重子的形成也需要宇宙中额外的CP但不一定与中微子有关。事实上，夸克已经被发现了CP破坏现象，虽然数量很小，但还不足以解释物质-反物质的不平衡。缺乏这一理论CP破坏可能隐藏在所谓的破坏中“黑暗部分”——有理论认为，宇宙空间中的大部分物质实际上是暗物质。也许暗物质和暗反物质的行为是不同的，这可以解释我们所知道的宇宙。

电弱重子产生机制的证据不仅可以通过探测额外的希格斯粒子获得，还可以通过大量寻找暗物质和“暗领域”获得实验。另外，如果大爆炸后不久发生宇宙相变，就像理论假设的那样，可能会产生引力波。在未来的实验中，我们可以探测到这些引力波，如激光干扰空间天线（LISA），基于太空的引力波探测器将于20世纪30年代发射。

然而，宇宙最终可能出乎我们的意料。也许轻子生成和电弱重子生成都没有发生。例如，科学家们最近正在研究质子与中子内部夸克强的相互作用CP其他理论物理学家也在研究许多不同的理论。

同时，对中微子CP破坏的最终测量指日可待。即将到来的项目，如深地下微子实验（DUNE）和T2K的继任实验“超级神冈探测器”（Hyper-Kamiokande，简称Hyper-K）所有这些都应确计算所需的灵敏度。T2K实验数据看起来很有趣。在即将到来的下一代实验中，会有一些更有趣的东西值得研究，这让科学家们非常兴奋。（任天）