起初，存在物質和反物質，然後只剩下物質。為什麼？這個問題是物理學界最重大的謎團之一。幾十年來，理論家們提出了潛在的解決方案，其中大多數都涉及宇宙中已知粒子之外的額外粒子的存在。上週，科學家宣佈了引人入勝的發現，這些發現指向了一種可能的解決方案，但資料尚未達到確鑿的發現。無論最終答案是什麼，解決這個問題可能不僅能告訴我們為什麼我們生活在一個由物質組成的宇宙中，還可能揭示宇宙最早時期的秘密，甚至將我們與科學家們難以捉摸的隱形暗物質聯絡起來。
關於物質如何在反物質中佔據上風的大多數理論可以分為兩個主要陣營。其中一個稱為電弱重子生成，假設存在希格斯玻色子的額外版本——希格斯玻色子是與萬物如何獲得質量相關的粒子。如果這些希格斯玻色子“表親”存在，它們可能有助於在宇宙早期引發突發的相變，類似於水從液態變為氣態的轉變，這可能導致太空中物質略多於反物質。當物質和反物質接觸時，它們會相互湮滅，因此早期宇宙中的大部分物質會被摧毀，只留下少量剩餘物質來構成我們周圍的星系、恆星和行星。
另一個主要的理論稱為輕子生成，它源於中微子。這些粒子比夸克輕得多得多，並且空靈地穿過宇宙，很少停下來與任何東西相互作用。根據這種情況，除了我們已知的常規中微子之外，還存在極其重的中微子，它們非常巨大，只能在宇宙大爆炸後不久存在的巨大能量和溫度下形成，當時宇宙非常熱和稠密。當這些粒子不可避免地分解成更小、更穩定的物質時，人們認為，它們可能產生了略多於反物質副產品的物質，從而導致了我們今天看到的這種排列。
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一舉兩得的謎團
最近由日本T2K（東海到神岡）實驗的科學家宣佈的公告，為輕子生成概念提供了有希望的跡象。該實驗觀察中微子在地下300公里處傳播並在三種類型或“味”之間變化的情況——中微子的一種特殊能力，稱為振盪。T2K研究人員檢測到中微子中的振盪比反中微子中的振盪更多，這表明兩者不僅僅充當彼此的映象，實際上行為有所不同。粒子與其反物質對應物之間的這種差異稱為CP破壞，它是理解宇宙誕生後物質如何超過反物質的關鍵線索。“我們還不稱之為發現，”石溪大學的T2K團隊成員Chang Kee Jung說。該實驗現在以95%的置信度排除了中微子CP破壞為零的可能性，並且顯示出粒子可能表現出最大可能CP破壞量的跡象。然而，還需要更多的資料，可能還需要未來的實驗，才能精確測量中微子和反中微子之間的差異程度。
即使物理學家在中微子中取得了CP破壞的明確發現，他們也無法完全解決宇宙反物質問題。加州大學爾灣分校的理論物理學家塞達·伊佩克（Seyda Ipek）表示，這樣的發現對於證明輕子生成來說是“必要的但不夠充分的”。該理論的另一個要求是，中微子和反中微子最終是同一種東西。這種看似矛盾的可能性是如何實現的？物質和反物質被認為是相同的，只是電荷相反。中微子沒有電荷，可能同時是兩者。
如果這種情況成立，它也可以解釋為什麼中微子如此輕——可能不到電子質量的六百萬分之一。如果中微子和反中微子是相同的，它們可能不會像大多數粒子那樣透過與希格斯場（與希格斯玻色子相關）相互作用來獲得質量，而是透過另一種稱為蹺蹺板機制的過程。它們的微小質量將與早期宇宙中產生的重中微子的質量成反比。“當一個向上時，另一個向下，就像蹺蹺板一樣，”伊佩克說。
“輕子生成是一種非常優雅的解釋事物的方式，”伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室（Fermilab）的理論物理學家傑西卡·特納（Jessica Turner）說。“首先，你回答了為什麼物質比反物質多。其次，你解釋了為什麼中微子具有如此小的質量。” 中微子是其自身反物質對應物的證據可能來自尋找一種稱為無中微子雙β衰變的理論反應的實驗，這種反應只有在中微子能夠像物質和反物質接觸時那樣湮滅自身時才會發生。然而，即使是這一發現，也無法完全證明輕子生成發生了。“如果你測量了我們能看到的最大可能的CP破壞，並且如果你觀察到中微子是它們自己的反粒子，我們會說那是間接證據，而不是直接證據，”特納說。
連線到暗區
物理學家表示，擺在桌面上的另一個理論選擇，電弱重子生成，可能更容易研究。費米實驗室理論物理部門負責人瑪塞拉·卡雷納（Marcela Carena）表示，儘管輕子生成中涉及的重中微子的產生很可能超出粒子加速器的能力範圍，但該理論預測的額外希格斯玻色子很可能會在大型強子對撞機中出現。即使該機器沒有直接製造出它們，這些希格斯玻色子“親戚”也可能與其產生的傳統希格斯玻色子發生微妙但可檢測到的相互作用。
電弱重子生成也需要在宇宙中存在額外的CP破壞，但不是專門在中微子中。事實上，CP破壞已經在夸克中被發現，儘管數量很少，不足以解釋物質-反物質的不平衡。這個理論中缺失的CP破壞可能隱藏的一個地方是所謂的暗區——被認為構成太空中大部分物質的隱形暗物質的領域。也許暗物質和暗反物質的行為有所不同，而這種差異可以解釋我們所知的宇宙。“我的工作方向一直是試圖將宇宙中的物質-反物質不平衡與我們知道我們需要一些我們迄今為止尚未看到的東西來解釋暗物質的想法聯絡起來，”卡雷納說。
電弱重子生成的證據可能不僅來自探測額外的希格斯粒子，還可能來自眾多尋找暗物質和暗區的實驗。此外，如果宇宙學相變如該理論所假設的那樣在大爆炸後不久發生，它可能會產生引力波，而未來的實驗可能會發現這些引力波，例如雷射干涉儀空間天線（LISA），這是一種計劃於2030年代發射的基於空間的引力波探測器。
但最終，宇宙可能會給我們帶來驚喜。也許輕子生成和電弱重子生成都沒有發生。“這些不是僅有的兩個選擇——理論領域非常廣闊，”伊佩克說。例如，她最近研究了一個涉及質子和中子內部夸克強相互作用中CP破壞的模型，理論家們也在研究許多其他想法。“我認為我們需要讓自己探索所有可能性，”特納說。“自然以其自身的方式展開；我們無法控制它。我們只是盡力去理解它。”
與此同時，至少在中微子中CP破壞的明確測量已在望。即將到來的專案，如深地中微子實驗（DUNE）和T2K的後繼者超神岡探測器（Hyper-K），應該具有精確計算所需的靈敏度。“T2K的資料看起來儘可能有趣，”芝加哥大學的DUNE聯合發言人埃德·布魯徹（Ed Blucher）說。“這讓我非常興奮，在即將到來的下一代實驗中，將會有一些有趣的東西值得研究。”