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恆星、行星以及你我都可以很容易地由反物質構成，但事實並非如此。在宇宙早期，發生了一些事情，使得物質佔據上風，留下了一個由原子構成的世界，而曾經同樣豐富的反物質如今卻很少見。2月11日發表在《物理評論快報》上的一項新理論認為，最近發現的希格斯玻色子粒子可能是造成這種情況的原因——更確切地說，是與該粒子相關的希格斯場。
人們認為希格斯場遍佈整個空間，並賦予穿過它的粒子質量，類似於液體染料給浸泡其中的復活節彩蛋上色的方式。如果希格斯場在早期宇宙中以非常高的值開始，並隨著時間的推移而降低到目前的較低值，那麼它可能在短時間內區分了粒子與其反粒子的質量——這是一個異常現象，因為今天的反物質的特點是具有與物質對應的相同質量但相反的電荷。反過來，這種質量差異可能使得物質粒子在宇宙早期比反物質更容易形成，從而產生了我們今天看到的物質過剩。“這是一個值得進一步研究的好想法，”赫爾辛基大學的物理學家卡里·恩奎斯特說道，他沒有參與這項新研究，但也研究過希格斯場隨時間推移而降低的可能性。“希格斯場在暴脹後具有很高的初始值的可能性非常高。”
宇宙的暴脹
暴脹是宇宙早期的一個理論階段，在這個階段中，時空迅速膨脹。“暴脹具有一個非常特殊的性質；它允許場跳來跳去，”加州大學洛杉磯分校的研究負責人亞歷山大·庫森科說道。在暴脹期間，宇宙在不到一秒的時間內發生了根本性的改變，希格斯場可能由於量子漲落而從一個值跳到另一個值，並且在暴脹結束時可能停留在非常高的值上。從那裡，它會穩定到較低的“平衡”值，但當它改變時，其不斷變化的值可能會賦予物質粒子與其反物質對應物不同的質量。因為較輕的粒子形成所需的能量較少，所以它們更容易出現。因此，如果物質較輕，它可能會迅速變得更加豐富。
希格斯場在暴脹期間如此容易跳躍的原因是，與該場相關的粒子希格斯玻色子的測量質量相對較低。該玻色子於 2012 年在瑞士的大型強子對撞機 (LHC) 內出現，其質量約為 126 GeV（吉電子伏特），大約是質子質量的 118 倍。
根據各種理論，這比它可能的值要輕一些。將希格斯場想象成兩個懸崖之間的山谷。場的值類似於山谷的高度，而玻色子的質量決定了懸崖壁的坡度。“如果你有一個非常彎曲的山谷，那麼你可能有非常陡峭的坡面，”庫森科說。“這就是我們發現的。這個值告訴我們，牆壁不是很陡峭——這意味著希格斯場可以跳來跳去，並遠遠地到達其他高度更高的山谷。”恩奎斯特同意希格斯場很可能一開始就比現在高得多。他說，這是否導致物質從反物質中分離出來“更具推測性”。
一種新的粒子
這種分裂將取決於一種迄今為止尚未被探測到的理論粒子的存在：所謂的重馬約拉納中微子。中微子是基本粒子，有三種類型（電子、μ子和 tau）。然而，可能還存在第四種中微子，預計它會比其他中微子重得多，因此更難以探測（因為粒子越重，對撞機必須產生的能量就越多才能產生它）。這種粒子具有奇怪的優點，即它是其自身的反物質夥伴。馬約拉納中微子不是物質和反物質版本，而是物質和反物質馬約拉納中微子是相同的。
這種雙重性質將使中微子成為一座橋樑，使物質粒子在早期宇宙中能夠跨越到反物質粒子，反之亦然。量子定律允許粒子在短暫的時間內轉化為其他粒子。通常，它們被禁止在物質和反物質之間轉換。但如果一個反物質粒子，例如一個反電子中微子，變成了一個馬約拉納中微子，它就會不知道它是物質還是反物質，並且可以像變回原來的反電子中微子一樣容易地轉化為一個普通的電子中微子。如果由於變化的希格斯場，中微子在當時碰巧比反中微子輕，那麼中微子就會成為更有可能的結果——可能會使物質在反物質中佔據優勢。
“如果這是真的，這將解決粒子物理學中的一個大謎團，”伊利諾伊州費米國家加速器實驗室的物理學家唐·林肯說，他沒有參與這項研究。然而，馬約拉納中微子“完全是推測性的，並且一直沒有被發現，儘管大型強子對撞機實驗有一個積極的研究計劃正在尋找它。研究人員肯定會牢記這個想法，因為他們會深入研究大型強子對撞機今年初夏開始產生的新資料。”
庫森科和他的同事們也希望找到更多支援他們理論的證據。他們設想的希格斯場過程可能產生了具有特定性質的磁場，這些磁場今天仍然存在於宇宙中——如果是這樣，它們可能是可以檢測到的。如果發現這些場，則可以證明希格斯場確實在很久以前就降低了值。科學家們正在嘗試計算出磁場特性會是什麼樣子，以及實驗是否有合理的希望看到它們，但這種可能性引發了令人興奮的希望，即他們的理論可能會產生可檢驗的後果——並且可能有機會最終解決反物質之謎。