时间倒流是揭示宇宙反物质消失之谜的关键？

123457660

为什么可观测宇宙几乎不包含反物质？反物质粒子具有与其物质相同的质量，但电荷相反。在实验室里可以产生非常少量的反物质。然而，在宇宙的其他地方几乎看不到反物质。物理学家认为，在宇宙的早期历史中，物质和反物质的数量是相等——那么反物质是如何消失的呢？密歇根州立大学(Michigan State University)的一名研究人员在《现代物理学评论》(Reviews of Modern Physics)上发表了一篇论文，对这些问题进行了研究。



博科园：密歇根州立大学稀有同位素束(FRIB)设施的物理学助理教授Jaideep Taggart Singh使用激光研究固体中的原子和分子，辛格在密歇根州立大学的物理和天文系有一个联合任命。答案可能根植于亚原子粒子之间力的本质，当时间倒转时（倒流）这些力并不相同。物理学家的理论是，这种时间逆转的违背是解开宇宙中失踪反物质之谜所必需的关键因素。这种违反力的时间逆转导致粒子具有一种称为永久电偶极矩(EDM)的性质。



60多年来，物理学家们一直在以越来越高的精确度寻找电火花，但从未观测到它们。然而，最近粒子物理学理论预测可测量的EDMs。这导致了全世界范围内对诸如中子、分子和原子等系统中的EDMs的研究。电火花加工的研究通常涉及在受控磁场中工作的原子钟（空间上是均匀的，时间上是稳定的）。在电场中，具有非零电火花加工(EDM)的超稳定原子钟会运行得稍快或稍慢。这类实验的成功与否取决于物理学家能否很好地控制周围的磁场和其他环境因素。



镭和汞等原子的永久电偶极矩(EDM)主要是由来自核介质的力引起。目前对这些力的最佳限制来自于汞-199原子。西雅图华盛顿大学研究人员发现，汞（hg） -199时钟每400个世纪误差不到一秒钟。这个实验是不可能改进的，除非能造出一个对环境因素不那么敏感的时钟。一个与之竞争的实验就是寻找镭-225的EDM，由美国阿贡国家实验室、密歇根州立大学和中国科学技术大学合作。稀有同位素镭-225是一种有吸引力的替代品。它的“梨形”核(见图)将可观测到的EDM放大了几个数量级，与汞-199的近球形核相比。



密歇根州立大学稀有同位素束研究中心助理教授Jaideep Singh在他的实验室里使用磁屏蔽。图片：Michigan State University
为了进行一个竞争性的实验，一个镭-225时钟只需要稳定到每两年不到一秒。这是困难的，但却是可行的。目前，镭钟的灵敏度仅受可用原子数量的限制(大约每天0.000005毫克)。在未来，使用更加“梨形”的原子核，比如稀有的同位素原酸-229，可能将这些EDM搜索灵敏度提高1000倍。换句话说，用质子原子钟进行的竞争性实验只需要每天稳定到不到一秒钟。辛格说：我们所看到的一切，以及其他可观察到的宇宙之所以存在，是因为反物质在宇宙诞生时消失了。



图片：Michigan State University
发现时间反转违背的新来源，也许是利用罕见的梨形核，将开始解释这是如何发生的。FRIB将产生大量的梨形核，如镭-225，并首次产生原锕-229。这将使寻找具有空前灵敏度的EDM成为可能，从而解答反物质之谜。密歇根州立大学将FRIB作为美国能源部科学办公室核物理办公室的一个新科学用户设施。FRIB正在建设中，由密歇根州立大学运营，它将使科学家们能够发现稀有同位素的性质，以便更好地理解原子核物理、核天体物理、基本相互作用，以及在社会上的应用，包括在医学、国土安全和工业方面。



博科园-科学科普｜研究/来自: 密歇根州立大学
参考期刊文献: 《现代物理学评论》
DOI: 10.1103/RevModPhys.91.015001
博科园-传递宇宙科学之美