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宇宙反物质神秘失踪,“元凶”可能是它!

2019-10-17 16:52 前瞻网   

宇宙反物质神秘失踪,“元凶”可能是它!

为什么我们的宇宙中的物质比反物质要多得多?这是现代物理学中最令人困惑的其中一个谜题。

不知道为什么,在宇宙还是非常年轻的时候,几乎所有的反物质都突然消失了,宇宙中只留下了普通的物质。一直以来,理论家们都在研究这一个难以捉摸的解释,以及构思使用各种实验来验证这个解释的方法。

现在,三位理论家提出,三种叫做希格斯玻色子的粒子可能是宇宙中的反物质神秘消失的原因,并且他们认为自己知道应该怎样找到这些“嫌疑犯”。

反物质丢失的例子

几乎在每一次亚原子粒子的相互作用之中,反物质(与正常物质相同,但带相反的电荷)和正常物质都会以相同的方式产生。这似乎是宇宙在基本层面上的对称。然而,当我们观察宇宙的时候,我们却几乎看不到任何反物质。据物理学家所知,宇宙中的反物质粒子和物质粒子比例约为1:10亿。

这个谜团有很多个名字,比如物质不对称问题和重子不对称问题,不过不管叫什么名字,物理学家们都被难住了,解释自然是物理学家们的工作,但到目前为止,还没有人能够为物质和反物质之间的数量差异提供一个连贯一致的解释,这就开始有点让人恼火了。

不过幸好,大自然给我们留下了一些线索。例如,所谓的宇宙微波背景(即宇宙大爆炸留下的热量)中并没有大量反物质存在的证据。这表明反物质消失这一事件发生在宇宙非常早期的时候。早期的宇宙是一个相当疯狂的时候,那时候的宇宙发生着各种各样的复杂未知物理现象。所以如果物质和反物质要分道扬镳的话,那么早期宇宙就是一个很好的时机。

希格斯玻色子

事实上,反物质消失的最佳时间是宇宙正在逐渐冷却,自然界的各种力量正在不断分裂的时候,那是一个短暂而动荡的时期。

在高能量条件下(比如在粒子对撞机里),电磁力和弱核力会结合在一起形成一种新的力:电弱力。然而,一旦物质冷却下来,恢复到正常的日常能量,电弱力才会重新分裂成我们熟悉的电磁力和弱核力。

在更高的能量条件下,比如在宇宙大爆炸的最初时刻,我们认为强大的核力会与电弱力相结合。而在此之上更高的能量条件下,引力也会参与到这个结合过程中来,形成一个统一的力。但是我们还没有弄清楚重力会怎样参与到结合过程中。

在20世纪60年代,一位科学家提出了希格斯玻色子的概念,但直到2012年,科学家们才在大型强子对撞机内发现了这种粒子,它的作用是将电磁力从弱核力中分离出来。物理学家相当肯定,物质和反物质的变化发生在四种自然力的统一力分解之前;这是因为我们对宇宙分裂后的物理现象有了相当清楚的认识,如果后来的年代中存在太多反物质的话就会违反我们对宇宙微波背景的观测结果。

因此,希格斯玻色子很有可能在反物质消失的过程中发挥了重要的作用。

但是希格斯粒子本身并不能分离反物质;目前还没有一种已知的机制可以只使用希格斯粒子就在物质和反物质之间造成不平衡。

不过幸好,希格斯玻色子与反物质的故事可能还远未结束。物理学家曾经在对撞机实验中发现了单个质量约为1250亿电子伏特(或者说GeV)的希格斯玻色子(作为参考,一个质子的质量约为1gev)。事实证明,希格斯玻色子可能并不只有一种。

希格斯玻色子完全有可能比我们目前在实验中检测到的更大。如果存在更重的希格斯粒子的话,那么这些粒子现在不会有什么作用,它们也不会参与到任何我们可以用对撞机制造的物理过程当中——因为我们并没有足够的能量来“激活”它们。但是在宇宙的早期,当宇宙中的能量还是非常非常高的时候,其他的那些希格斯玻色子可能互被激活,并且可能会在某些基本粒子相互作用中造成不平衡,导致现在物质和反物质之间的不对称。

解决这个谜题

最近发表在预印平台arXiv的一篇论文中,三位物理学家提出了一个有趣的潜在解决方案:或许,有三种希格斯玻色子[被称为“希格斯三头”(Higgs Troika)]在早期宇宙中通过某种反应产生了大量的正常物质。

在这种情况下,这些物质流中的大部分正常物质将会湮灭反物质,使反物质在辐射洪流中几乎完全消失。这样的话,足够的正常物质会遗留下来,演变成我们现在所知道的宇宙。

为了完善这一设想,理论家们提出,这三种希格斯玻色子包括目前已知的希格斯玻色子和两种新的希格斯玻色子,这两种新粒子的质量都在1000 GeV左右。这个质量数字其实完全是随机的,之所以假设为这个数字,是为了使这个假设的希格斯玻色子有可能被下一代粒子对撞机发现,因为预测一个永远无法被探测到的粒子是没有用的。

这样的话,物理学家们就面临着一个挑战。无论是什么机制导致了物质和反物质之间的这种不对称性,这个机制都必须要让物质比反物质多出10亿倍;而且,在早期宇宙中,这种机制只有一个非常短的时间窗口来完成这个过程;一旦四种自然力分离开来之后,游戏时间也就结束了,我们所知道的物理原理也就不能再改变了。而这个包括两个新希格斯玻色子的机制,必须是可以测试的。

不过他们还是做到了,这是一个可以理解,但非常复杂的过程,总体上(也是理论上)来说是这样的:两个新的希格斯玻色子以略微不同的速度衰变为粒子簇,衰变成物质和反物质的几率也有轻微的差异。随着时间的推移,这些差异逐渐增大,当电弱力分裂的时候,宇宙中“内置”的物质反物质粒子数量差异就已经足够大,导致正常物质数量远远多于反物质。

虽然这确实是可以解决重子不对称的问题,但也马上引出了另外一个问题:自然界要这么多希格斯玻色子干嘛?我们不得而知,我们一次先解决一个问题。

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责任编辑: 4057WMR

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