@ 2019.03.22 , 23:15

CERN刚做出了突破性发现,有助于解释物质的起源

我们为什么是存在的?这可以说是最深刻的问题,同时看起来完全超出了粒子物理学的范畴。

但是刚刚在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上的结束实验让我们离答案又近了一步。

138亿年前,宇宙在大爆炸中创生。这个事件产生了相同数量的物质和反物质。

据信,每个粒子都有一个与其自身几乎完全相同但电荷数相反的伴生粒子。当正反粒子相遇时,它们相互湮灭——辐射出光子,然后神形俱灭。

现在的问题是,为什么我们的宇宙是物质的,而非反物质的?(正反一词可能会引发误解,这个提问本身不是追究正反,而是说完全对称的两个选项二选一,其中一种为何会胜出)它是现代物理学中最大的奥秘之一。如果物质和反物质一样多,按理说宇宙的一切都将湮灭殆尽。

最新的实验揭示了物质和反物质之间不对称性的起源。

反物质假说最早由亚瑟·舒斯特于1896年提出,由保罗·狄拉克于1928年提供理论基础;在1932年卡尔·安德森发现了反电子,也就是电子的反粒子——正电子。正电子出现在天然放射性过程中,如钾-40的衰变。

你吃的香蕉(含有钾)每75分钟就会辐射出一次正电子。然后它们与电子湮灭产生光子。 PET扫描仪等医疗设备也在类似的过程中产生反物质。

难以检验的粲夸克机制

构成原子基本模块被称为夸克和轻子。夸克的种类被称为“味”,它们是上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及顶(t)。同样,轻子也有6种:电子、μ子、tau子和三类中微子。每种基本粒子都有自身的反粒子。

反粒子原则上应该是粒子的完美镜像。但实验表明情况并非总是这样。

例如,介子由一个夸克和一个反夸克组成。中性介子具有一个迷人的特征:它们可以自发地变成反介子,反之亦然。

在这个过程中,夸克变成反夸克或反夸克变成夸克。但是实验表明,这一双向转变过程是有难易程度之分的——随着时间推移,介子的数目多余反介子。

在含有夸克的粒子中,只有那些包括奇夸克和底夸克的粒子被发现具有这种不对称性——这些都是非常重要的发现。

1964年首次观察到涉及奇夸克的不对称性,理论学家们借此预测有6种夸克存在——当时只知道存在3类夸克。

2001年发现底夸克的不对称性是对6夸克机制的最终证实。这两项发现都获得了诺贝尔奖。

奇夸克的和底夸克都带有负电荷。理论上能够形成物质—反物质不对称性的唯一带正电粒子是璨夸克。理论显示,如果确实如此,那么效果也应细微且难以检测。

但是现在,LHCb实验成功地观察到了被称为D-meson粒子中的这种不对称性——璨夸克组成的粒子。结果的统计可信度为99.9999%,纯粹巧合的置信度小于10亿分之50。

如果这种不对称性与奇夸克和底夸克的机制不同,那么就为解释物质—反物质不对称性留下了空间。它很重要,因为已知的现象无法解释宇宙为什么是以正物质为主的。

仅仅粲夸克还不足以填补这一理论空白,但它是理解基本粒子相互作用的瓶颈。

下一步

这一发现之后将有更多的理论著作出版,向我们详细地解释实验结果。但更重要的是,它勾画出未来实验的蓝图。

在未来十年,升级的LHCb将提高仪器的灵敏度,由日本的Belle II实验项目做补充——该项目刚刚启动。

这些是物质——反物质不对称性领域的令人兴奋的前景。

反物质也是许多其他实验的核心内容。CERN的Antiproton减速器正在尝试制造完整的反原子,它能为众多的实验提供高精度的测量结果。

国际空间站上的AMS-2正在寻找宇宙起源时的反物质。目前和未来的一些实验将回答中微子之间是否存在反物质不对称性的问题。

虽然我们还未彻底解决宇宙物质—反物质难题,但最新发现为高精度测量时代打开了大门。我们有理由乐观地认为,终有一日,物理学能够解释我们为什么会在这里。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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