宇宙中的所有反物質都到哪裡去了?

研究人員稱,物質與反物質之間的差異可能有助於解釋為何如今宇宙中主要缺乏後者

歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機底夸克實驗(LHCb)。

歐洲核子研究中心

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我們本可能生活在一個反物質宇宙中,但事實並非如此。反物質是物質的顛倒孿生體——每個物質粒子都有一個與之匹配的反物質版本,電荷相反。物理學家認為宇宙起源時反物質和物質一樣多,但大多數反物質都被消滅了。現在,他們可能離知道原因更近一步了。

在日內瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機底夸克實驗(LHCb)中,研究人員發現“粲”夸克(基本物質粒子的一類六種型別或“味”之一)的物質和反物質版本表現不同。在一項新的研究中,物理學家們發現在義大利拉蒂勒舉行的“Rencontres de Moriond”粒子物理學會議上,被稱為D0介子(包含粲夸克)的不穩定粒子衰變成更穩定的粒子的速率,與其反物質對應物略有不同。這種差異可能有助於解釋大爆炸後物質和反物質之間如何產生不對稱性,從而導致宇宙主要由物質構成。

物質和反物質接觸時會互相湮滅,研究人員認為,這種碰撞摧毀了宇宙初期幾乎所有的反物質(以及很大一部分物質)。但他們不明白為什麼相對少量的物質過剩存活下來,變成了恆星、行星和宇宙的其餘部分。因此,物理學家一直在尋找一種物質,它的行為方式與反物質版本截然不同,以至於它有時間在早期宇宙中產生這種過剩。


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新發現的粲夸克和反夸克之間衰變率的不匹配,結果證明太小,無法解釋宇宙中過量的物質。然而,康奈爾大學的理論物理學家尤瓦爾·格羅斯曼(Yuval Grossman)表示,這一結果“確實讓我們更接近找到答案,因為它表明其中一個可能的答案可能不是正確的”。格羅斯曼沒有參與這項新工作。“我也很興奮,因為這是我們第一次看到這種[粲夸克現象]。”

物理學家之前在另外兩種夸克味中發現了類似的變異,但這些變異也太小,無法解釋我們這個以物質為主導的宇宙。雪城大學LHCb團隊成員謝爾頓·斯通(Sheldon Stone)表示,科學家們仍然希望在其他地方,例如在被稱為中微子的幽靈粒子或涉及希格斯玻色子(賦予其他粒子質量的粒子)的反應中,發現更大的物質-反物質差異:“正在進行許多不同的搜尋。”

克拉拉·莫斯科維茨《大眾科學》的高階編輯,她在那裡負責報道天文學、太空、物理學和數學。她在《大眾科學》工作了十年;之前她在Space.com工作。莫斯科維茨曾對火箭發射、太空梭升空和著陸、亞軌道太空飛行訓練、山頂天文臺等進行現場報道。她擁有衛斯理大學天文學和物理學學士學位,以及加州大學聖克魯茲分校科學傳播研究生學位。

更多作者:克拉拉·莫斯科維茨
大眾科學 Magazine Vol 321 Issue 1本文最初以“幸運粲夸克”為標題發表於《大眾科學》雜誌第321卷第1期(),第19頁
doi:10.1038/scientificamerican0719-19
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