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反物质消失之谜
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2023.03.14 黑龙江

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2019-06-18 11:00

3623天

标准宇宙模型认为,宇宙诞生于一个蕴藏着巨大能量的空间,这个空间爆炸性地急剧膨胀,最终便形成了我们今天生活的宇宙。最初的宇宙根本不存在什么物质,有的只是巨大的能量。在这一能量的驱动下,“对产生”不断发生,成对地生成了物质与反物质。所以,宇宙在诞生之初是由等量的物质与反物质构成的。不过,随着宇宙的膨胀,温度开始迅速下降,于是变化开始发生了。

在最初的时候,能量转化为物质与反物质的“对产生”占据优势,这使得物质与反物质不断增多。而随着宇宙逐渐冷却,需要巨大能量的“对产生”变得越来越困难,不仅如此,物质与反物质不断发生碰撞,相互湮灭消失。于是随着宇宙越来越冷,湮灭逐渐占据了优势,物质与反物质不断减少。如此一来,就出现了一个重大问题,我们知道,对产生时,物质与反物质必定成对产生,湮灭时也必定成对湮灭,如果反物质与物质是等量生成的,那么发生湮灭时,它们也应该全部消失,最终留下一个完全空荡荡的宇宙。但现在的宇宙中却只有物质,不见了反物质的踪影,那么本该与物质彼此湮灭的反物质消失到哪里去了呢?这就是反物质的消失之谜。

为了解释这一谜团,科学家提出了这样的假说:在宇宙诞生之初,物质与反物质确实在成对生成,不过后来由于某种原因,物质增多了10亿分之一,反物质却减少了10亿分之一。后来,物质与反物质发生了湮灭,两者都消失了10亿分之999999999,最终,剩余的10亿分之2的物质得以保留,并创造了我们的世界。

可见,如果想要验证这一假说正确性的话,我们就要找到物质增加10亿分之一与反物质减少10亿分之一的原因所在,很有可能的情况是,某些反物质变成了物质。那么是什么物质叛变了呢?科学家将目光投向了不带电的粒子。

昨天说到,反物质与物质之间除了所带的电荷相反之外,其他的性质都完全一样,比如说电子带负电,正电子则带正电。而如果反粒子原本就不带电的话,那么与其对应的粒子也不带电。正电子等原本带正电的粒子不可能变成带负电的,反之也是如此,所以对于带电的基本粒子来说,它们不可能发生正反物质的转化。而原本不带电的反粒子在转化成粒子时,就根本不需要改变正负电性,或许正是这些粒子发生了反粒子转化为粒子的反应。

在已知的构成物质的12种基本粒子中,只有3种中微子不带电,这便是电子中微子、μ中微子与τ中微子,其对应的反粒子分别是反电子中微子、反μ中微子与反τ中微子。下面我们就来看看这哥仨到底能不能转化为物质。

中微子与反中微子虽然都不带电,但是它们却有着独特的不同之处,那就是中微子都是左旋的,而反中微子则都是右旋的。如果自旋方向改变的话,反中微子就会摇身一变成为中微子。之前人们一直认为,中微子的质量为0,没有质量也就意味着它是以光速前进的,永远无法超远。但是在1998年科学家发现了中微子其实具有质量,这就意味着它的飞行速度低于光速,虽然其速度依然不知道高到哪里去了,但只要低于光速就是可被超越的。现在我们想象这样一个场景,黄博士坐在飞船上,在他的前方有一个右旋的反中微子,不信邪的黄博士一脚油门上去超越了这颗反中微子,这时他回过头一看,中微子突然变成左旋的了,也就是说,反中微子看上去好像变成了中微子。如此说来,反中微子与中微子或许本来就是同一种粒子,只不过由于视点不同而看上去不同罢了。

当然了,仅仅搞清楚反中微子变身为中微子这一现象,还并不能彻底解开反物质的消失之谜。这是因为,假如反中微子与中微子一模一样,行为举止完全相同的话,那么当反中微子转化为中微子的时候,也会发生相反的变化,也就是中微子也在转化为反中微子。这就是说,在宇宙诞生之初,如果一部分反中微子转化为中微子,同时一部分中微子也转化成了反中微子,那么反中微子与中微子的总量应该是保持不变的,最后的结果还是互相湮灭,留下一个空荡荡的宇宙。那么怎样才能让物质剩下那10亿分之2呢?

科学家认为,反中微子与中微子之间,一定存在着某种我们尚未发现的差别,只有这样,才有可能出现仅剩下中微子或反中微子的情况。目前这种差异被称为CP破坏。所谓的CP破坏就是CP对称的破坏,其中的C指的是“改变粒子电性的操作”,而P指的是“奇偶变化”,也就是像照镜子那样左右反转。CP对称指的就是改变某种粒子的电性,就会像照镜子那样,其行为举止与反粒子的行为举止完全一样。比如说假如某种粒子正在曲线飞行,其反粒子则在相同条件下,就像镜像一样朝相反的方向曲线飞行。事实上,科学家正是基于这种性质才在宇宙射线中发现了正电子。

而如果反粒子的行为举止与粒子的镜像略有不同的话,就意味着CP对称被破坏的,同时也意味着我们找到了解释我们生活的世界是如何形成的物理理论的漏洞,并发现了创建新理论的突破口。事实上,科学家已经在一定程度上,从理论上成功解释了CP破坏,并且已经发现了真实存在的CP破坏,这就是K介子与B介子的CP破坏。

不过这两种物质的CP破坏,还根本不足以导致早期宇宙的物质增多10亿分之一,它只能增多10亿分之1的1亿亿分之1的物质,也就是说,科学家只发现了极小的CP破坏,要想破解反物质的消失之谜,还必须有更大尺度的CP破坏。目前,轻子生成理论受到了广泛关注,有望破解这一谜团。

轻子生成理论认为,存在着一种未知的非常重的中微子,正是这种重中微子导致了物质剩余。当重中微子发生衰变转化成其他粒子时,CP对称被破坏,导致反中微子的数量多于中微子,于是,反电子中微子、反μ中微子与反τ中微子最终分别生成3个夸克。所以,中微子与反中微子的数量、夸克与反夸克的数量,以及电子与正电子的数量都出现了差异,最终导致物质增多。可见,现在的关键就是找到这种重中微子,但是根据质能方程,要想在加速器中人工制造出重中微子,需要提供目前LHC输出能量的1000万倍,这是人类现在所无法企及的。

不过研究认为,已知的3种中微子与未知的重中微子之间存在着密切联系,比如说,正是因为存在重中微子,才导致已知的3种中微子的质量远远小于其他基本粒子。所以,通过详细剖析3种中微子的性质,或许可以寻找到重中微子存在的间接证据。好了编不下去了。


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