来自中微子的新证据指向了关于为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的几种理论之一。一开始有物质和反物质，然后只有物质。这个问题是定义物理学的奥秘之一。上周，科学家们宣布了一项诱人的发现，解决这个问题可能会告诉我们更多，而不仅仅是我们为什么生活在一个物质的宇宙中——它可能会揭露宇宙最早时代的秘密，甚至会把我们所不知道的看不见的暗物质联系起来。
最初，物质与反物质都存在，然而到后来就只有物质了。这是为什么呢？这个问题是定义物理学的谜团之一。几十年来，理论物理学家们已经提出了可能的解释，其中大部分涉及到宇宙中已知物种之外的额外粒子的存在。上周，科学家们宣布了一项诱人的发现，指出了一种可能的解释，然而这些数据并没有形成一种精确地发现。然而，不管最终的答案是什么，解决这个问题可能不仅能告诉我们，为什么我们生活在一个物质的宇宙中，它可以揭露宇宙最早时代的秘密，或者甚至把我们与使科学家们困惑的不可见的暗物质联系起来。
关于物质如何压倒反物质的大多数理论分为两大流派。其一称为弱电性重子形成说，提出了希格斯玻色子的另一种形态，即与其他物质获得质量的方式有关的粒子。如果这些希格斯玻色子的近亲存在的话，它们自然可以有助于引发一个突然的相变，类似于水从液态变成气态时的过程。在宇宙早期，这种相变可能导致空间中的物质比反物质略多。当物质和反物质接触时，它们会相互湮灭，所以年轻宇宙中的大部分物质都已经被摧毁，只留下一小部分剩余的物质，最终形成了我们周围的星系、恒星和行星。
另一种主流的理论称为轻子发生说，其与第一种理论不同，是源于中微子。这些粒子比夸克轻得多，它们以轻快的方式穿过宇宙，并且几乎不会停止，与任何东西相互作用。根据这一设想，除了我们所知道的常规中微子外，还有非常重的中微子。它们是如此巨大，以至于只有在宇宙大爆炸之后的巨大能量与极高温度下才会形成，而此时的宇宙是极其炽热而稠密的。这种理论认为，当这些粒子不可避免地分裂成更小、更稳定的形态时，它们可能产生了相较于反物质的略多的物质，从而导致我们今天看到的这种情况。
日本T2K（Tokai to Kamioka）实验的科学家发表的声明，为轻子发生说的概念提供了有希望的印证。实验观察在地下300公里处穿行的中微子，在三种类型或特征之间变化—一种叫做振荡的中微子的特殊能力。T2K研究人员在中微子中检测到的振荡比在反中微子中检测到的更多，这表明中微子和反中微子不仅仅是彼此的镜像，事实上，它们的表现特征有所不同。粒子与反物质粒子之间的这种差异被称为CP破坏，这是探索宇宙诞生后物质的量如何超越反物质的有力线索。“我们还没有称这项研究为一个发现，”石溪大学的T2K小组成员Chang Kee Jung（张基荣）说。实验现在已经排除了中微子在95%的置信度下出现零CP破坏的可能性，并且显示出关于粒子可能允许的的的最大CP破坏量的线索。然而，想要精确测量中微子和反中微子之间的差别，还需要更多的数据，或许还需要未来的实验。
即使物理学家最终发现中微子中的CP破坏，他们也不会完全解决宇宙反物质问题。加州大学欧文分校的一位理论物理学家塞达·伊佩克（Seyda Ipek）说，这样的发现对于证明轻子发生说是“必要但不充分的”。证明这个理论的另一个需求是中微子和反中微子最终被证明是同一回事。这看起来充满矛盾的结论怎么可能是真的？除了携带的电荷相反之外，物质和反物质可以认为是相同的。而没有电荷的中微子，可能同时作为物质与反物质存在。
如果这种可能性是真的，它也可以解释为什么中微子是大约不到电子质量的六百万分之一那么轻。如果中微子和反中微子是相同的，它们可能获得的质量不是像大多数粒子那样通过与希格斯场（与希格斯玻色子有关）的相互作用，而是通过另一个叫做跷跷板机制的过程。它们微乎其微的质量与早期宇宙中出现的重中微子的质量成反比。伊佩克说：“当其中一个增加时，另一个就减少，就像跷跷板一样。”
伊利诺伊州巴达维亚市费米国家加速器实验室（Fermilab）的理论物理学家杰西卡·特纳（Jessica Turner）说：“轻子发生说是解释事物的一种非常优雅的方式。”“首先，你要回答为什么物质比反物质多。其次，你要解释为什么中微子的质量这么小。”中微子是它们自己对应的反物质的证据可能来自于一种寻找称为无中微子双β衰变的理论反应的实验，这种反应只有在中微子能够像物质和反物质接触时那样自我毁灭时才会发生。然而，即使这一发现也不能完全轻子发生说的现象发生了。特纳说：“如果你测量我们所能看到的可能性最高的CP破坏，并且如果你观察到中微子是它们自己的反粒子，我们会认为这是间接证据，而不是直接证据。”
物理学家声称，台面上的另一个理论选择，即弱电性重子形成说，可能更容易进行研究。费米实验室理论物理部门负责人马塞拉·卡雷纳（Marcela Carena）说，尽管轻子发生过程中产生的重中微子很可能超出了粒子加速器的能力范围，但这一理论预测的额外希格斯玻色子可能会出现在大型强子对撞机的实验中。即使机器不能直接制造出这些希格斯玻色子的近亲，它们也可以轻易地而有痕迹地与其产生的普通希格斯玻色子相互作用。
弱电性重子形成还需要宇宙中额外的CP破坏，但中微子则不需要。事实上，在夸克中已经发现了CP破坏现象，尽管由于数量很小而不能解释物质与反物质的不平衡。这个理论没有发现的的CP破坏可能隐藏在所谓的暗区中，即被认为构成了宇宙中大部分物质的不可见暗物质的领域。也许暗物质和暗反物质的特征并不相同，而这种差异可以解释我们所知的宇宙。卡雷纳说：“我的工作一直试图把宇宙中物质与反物质的不平衡联系到一个想法上，那就是我们知道我们需要一些迄今为止还没有被发现的东西来解释暗物质。”
弱电性重子形成的证据不仅可以通过探测额外的希格斯粒子，还可以通过大量寻找暗物质和暗区的实验来获得。此外，如果像理论所推测的那样，在大爆炸后不久就发生了宇宙级别的相变，它可能会产生可以在未来的实验中被发现的引力波，上述的实验例如激光干涉仪空间天线（LISA），一种将于20世纪30年代发射的空基引力波探测器。
不过，最终，宇宙会让我们大吃一惊。可能既没有轻子发生过程，也没有弱电性重子发生过程。“这并非唯二的两个选择，理论领域依然非常广阔，”伊佩克说。例如，她研究了一个涉及质子和中子中夸克强相互作用中CP破坏的模型，理论家们也在研究许多其他的想法。特纳说：“我认为我们需要自己去探索所有的可能性，自然自己会揭开它的秘密，我们无法控制。我们只是尽力去理解它。”
但与此同时，我们至少可以看到中微子CP破坏的确切测量结果。即将进行的项目，如深地下中微子实验（DUNE）和T2K的继任者Hyper Kamiokande（Hyper-K），应当具有精确计算所需的灵敏度。“T2K数据看起来非常有趣，”芝加哥大学DUNE的联合发言人Ed Blucher说。“在即将到来的下一代实验中，会有一些有趣的东西值得研究，这让我非常兴奋。”
作者: Clara Moskowitz
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自：原地址：https://www.scientificamerican.com/article/antimatter-discovery-reveals-clues-about-the-universes-beginning/
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