宇宙剩下的未解之谜之一：为什么物质比反物质还多？

白龙江左岸

我们知道，关于我们宇宙剩下的其中一个未解之谜是：物质为什么有比反物质多？然而一项研究表明奇怪的中微子行为或许可以解释长久以来的反物质之谜！

反物质

说到这里，或许许多人对反物质存在疑惑，什么是反物质呢？其实很简单，举个例子来说，我们常说的电子，它其实是一种带负电的亚原子粒子，通常被表示为e?，电子所带电荷为e=1.6×10-19C（库仑）。而电子的反粒子是正电子，它带有与电子相同的质量，能量，自旋和等量的正电荷（正电子的电荷为+1，负电子的电荷为-1），但电性相反，正电子也就是电子的反物质。由此延伸，反物质是正常物质的反状态，科学家设想在宇宙中可能存在完全由反粒子构成的物质，也就是反物质。反物质和物质共同构成了这个宇宙，当正反物质相遇时，双方就会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。

那么问题来了，既然每个正物质都对应着一个反物质，那么按理来说，宇宙的物质和反物质的量应该相等才对。但是我们一眼望去，地球上万物都由物质构成，我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成，从粒子物理的角度讲，正粒子和反粒子的性质几乎完全对称，那么为什么自然界有大量的正物质，而且几乎没有反物质呢？按照科学家的设想，宇宙诞生之初曾经产生等量的物质与反物质，而两者一旦接触便会相互湮灭抵消，发生爆炸并产生巨大能量。然而，出于某种原因，当今世界主要由物质构成，反物质似乎压根不存在于自然界。正反物质的不对称疑难，是物理学界所面临的一大挑战。这也正是我们要讨论的问题。

反物质之谜

看过科幻小说的朋友或许都会看到这样一个情节，科幻作家经常喜欢在他们的星际飞船上安装物质反物质引擎，以此来推动飞船。这是因为当物质和反物质粒子碰撞时，它们以完美的效率湮灭，转化成100%的纯能量。这样的前提就是，科学家认为，当宇宙诞生于近140亿年前时，它含有等量的物质和反物质。反物质粒子的质量与其“正常”的同类粒子相同，但电荷相反。就像电子（正常，带负电）和正电子（反物质，带正电）

这就是奥秘所在：如果宇宙诞生时有相同数量的粒子和反粒子，它们都应该相互发现并湮灭，使我们的宇宙完全失去它们。但这显然没有发生，正如人类的存在清楚地表明的那样。结果是物质比反物质稍微多了一点，而且这个比例大约为每十亿个物质对中只有一个粒子反物质对。

多年来，物理学家们已经收集到了一些关于这个过剩物质之谜的线索。例如，在20世纪60年代，他们发现夸克和反夸克的行为并不完全相同。但这种违反“宇称守恒定律”（简称CP对称）的现象，并不足以解释物质与反物质之间的差异，这种现象就是后来著名的宇称不守恒。所谓宇称不守恒定律是指在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称的现象，提出者是李政道和杨振宁。

举个例子来说，你在镜子前面做一个动作，而按常理来说，镜子里的你也会做一样的动作，只不过动作完全相反。但是宇称不守恒打破了这一观念，也就是说在镜子里的你虽然可能做同一个动作，但是速度和方向可能并不一致，这种现象在宏观世界很难理解，但是粒子世界就是这样不可思议地展现了宇称不守恒。

不过，科学家认为这种差异的另一种可能是夸克以外的粒子。毕竟，夸克并不是唯一的亚原子粒子。它们有一个称为轻子的亲戚，而这一类包括电子、μ子、τ粒子和中微子。夸克和轻子又是费米子，是亚原子粒子的两大类之一。另一类是玻色子，包括携带力的粒子，如光子、胶子、希格斯粒子和尚未证实的引力子。所以它们之间可能存在着微妙的联系。

不过今日，科学家早一项新的研究发现了中微子CP对称性破坏的迹象，并得出了一些有趣的结果。这些数据主要来自位于东京市的日本质子加速器研究中心的T2K项目，该项目可以根据实验装置产生中微子或反中微子束。

中微子

说到中微子，它是一种非常神秘的粒子，科学家经常把它和一些未知的现象联系在一起，比如暗物质，反物质。科学家猜测中微子很可能是这些未知的突破口。

中微子，以接近光速运动，与其他物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐身人”或者“幽灵粒子”。科学界从预言它的存在到发现它，用了20多年的时间。中微子真的很难发现，但是在距离东海183英里（295公里）的神冈天文台，一些中微子被地下探测器标记到了。这个探测器是一个装满50000公吨纯净水的水箱。当中微子与槽中的中子相互作用时，就可以产生μ子或电子，然而这些敏感的设备会把这些二次粒子收集起来。

这样的检测会包含很多信息。例如，当中微子移动时，它们在三种不同的“味道”之间振荡：电子、μ子和τ。味道是科学家简称粒子类型的一种称呼，味道类型决定了中子碰撞时产生的次级粒子类型。

T2K合作分析了该项目从2009年到2018年收集的数据，以及类似实验的观察结果。在《自然》杂志上的这项新研究中，研究人员报告说，他们发现了中微子和反中微子以不同方式振荡的证据。

英国达勒姆大学和伊利诺伊州美国能源部费米实验室的物理学家西尔维亚·帕科利和杰西卡·特纳分别表示：“研究结果排除了95%置信水平下的CP守恒（也就是说，他们认为CP已发生破坏），并显示CP破坏参数可能很大。这些结果可能是物质起源的第一个迹象，即我们宇宙中的反物质不对称的真相。”

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然而，需要澄清的是：结果本身并不能令人信服地证明中微子和反中微子违反了CP，因为科学家仅仅是看到了一些迹象。科学家必须收集更多的数据才能确保实验以及结论的正确性。

无论如何，中微子确实是科学家伟大的发现之一，它的神秘以及性质给我们带来了一些线索，或者说是希望，相信在未来，我们能够揭开这一神秘粒子的面纱！


原文地址：今日头条

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