为什么今天的宇宙是由物质组成的，而不是反物质？

发表于 5年以前 | 总阅读数：667 次

几十年来，理论物理学家提出了许多可能的理论，其中大多数涉及到宇宙中某些未知粒子的存在。就在不久前，科学家们宣布了一些很有吸引力的发现，指向了一种可能的解释理论，不过他们的数据并未给出明确的结果。无论最终的答案如何，这个问题的解决可能会告诉我们更多，比如揭示宇宙最早时期的秘密，甚至将现有的物理学与看不见的暗物质联系起来，而不仅仅是解释宇宙为什么由物质组成。

大多数关于物质是如何在数量上完全压制反物质的理论可以分为两大阵营。一种理论是电弱重子数产生机制（electroweak baryogenesis，简称EWBG）。该理论假设了另外的希格斯玻色子版本，而希格斯玻色子与一切物质如何获得质量有关。如果存在其他版本的希格斯玻色子，那它们可能就会在宇宙早期引发一场突然的相变，类似于水从液体到气体的转变，进而导致宇宙中物质略多于反物质。当物质和反物质接触时，它们会相互湮灭，因此年轻宇宙中的大部分物质都会消失，只留下少量剩余物质，形成我们周围的星系、恒星和行星。

另一种主导的理论是“轻子生成理论”（leptogenesis），其基础是中微子。这些粒子比夸克轻得多，飘渺地穿过宇宙，几乎从不会停下来与任何东西发生作用。基于这些性质，我们设想在已知的常规中微子之外，还存在着非常重的中微子，它们是如此庞大，以至于只能由大爆炸后的巨大能量和温度形成，而当时的宇宙温度极高，密度极大。该理论认为，当这些粒子不可避免地分裂成更小、更稳定的粒子时，它们可能会产生比反物质稍微多一点的物质，从而形成我们今天看到的这种不对称的情况。

一个实验，两个谜题

最近，日本T2K实验的科学家们宣布了一个消息，为轻子生成理论提供了很有前景的证据支持。这个实验观察到，中微子在地下300公里的传播过程中，在三种不同的味之间发生变化——这种中微子特有的能力被称为振荡。T2K实验的研究人员在中微子中发现了比反中微子更多的振荡，表明两者不单单是互为镜像，而且在实际行为上也有所不同。粒子及其对应的反物质之间的差异被称为“CP破坏”，被认为是探索宇宙诞生后物质如何超越反物质的重要线索。

该实验目前已经以95%的置信度排除了中微子没有CP破坏的可能性，这也暗示了中微子允许显示出CP破坏的最大可能性。不过，我们还需要更多的数据，也许还需要未来进行更多实验，才能精确地测量中微子和反中微子之间的差异。

即使物理学家最终发现了中微子的CP破坏，他们也不可能完全解决宇宙中缺乏反物质的问题。这样的发现对于证明轻子生成理论是“必要的，但还不够”。该理论的另一个要求是，中微子和反中微子其实是同一种粒子。这种明显的矛盾可能吗？物质与反物质除了电荷相反之外，其他特征都是相同的，因此没有电荷的中微子可能同时具有这两种性质。

如果这种可能性被证实，那也就可以解释为什么中微子这么轻——大约不到电子质量的六万分之一。如果中微子和反中微子是一样的，它们可能不会像大多数粒子那样通过与希格斯场（与希格斯玻色子有关）的相互作用而获得质量，而是通过另一种称为跷跷板机制（seesaw mechanism）的过程。它们微小的质量与早期宇宙中产生的重中微子的质量成反比，一个上升，另一个就下降，就像跷跷板一样。

轻子生成理论是一个非常优雅的解释方式。首先，这回答了为什么物质比反物质多；其次，这也解释了为什么中微子的质量这么小。中微子本身就是其对应反物质的证据，可能来自于一项名为“无中微子双贝塔衰变”的理论反应实验，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湮灭的情况下才会发生。然而，即使发现了这种情况，也不能完全证明轻子生成理论。

与暗物质的连接

物理学家表示，另一种理论选择——电弱重子数产生机制——可能更容易研究。尽管在轻子生成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，但该理论预测的另一些希格斯玻色子可能会出现在大型强子对撞机上。即使对撞机不能直接制造出希格斯玻色子的其他版本，但它们也可能与传统希格斯玻色子发生微妙但可探测的相互作用。

电弱重子的形成也需要宇宙中额外的CP破坏，但并不一定与中微子有关。事实上，在夸克中已经发现了CP破坏现象，尽管数量很小，还不足以解释物质-反物质的不平衡。这一理论缺失的CP破坏可能隐藏在所谓的“黑暗部分”——有理论认为构成宇宙空间中大部分物质的其实是暗物质。也许暗物质和暗反物质的行为不同，而这种不同可以解释我们所知道的宇宙。

电弱重子产生机制的证据不仅可以通过探测额外的希格斯粒子获得，还可以通过大量寻找暗物质和“暗领域”的实验获得。此外，如果宇宙相变发生在大爆炸后不久，就像理论假设的那样，便可能会产生引力波。我们或许可以在未来的实验中探测到这些引力波，比如通过激光干涉空间天线（LISA），一种基于太空的引力波探测器，将于本世纪30年代发射。

不过，宇宙最终也可能出乎我们的意料，也许轻子生成和电弱重子生成都没有发生。例如，科学家最近在研究一个涉及质子和中子内部夸克强相互作用中CP破坏的模型，其他理论物理学家也在研究许多不同的理论。

与此同时，对中微子CP破坏的最终测量已经指日可待。即将进行的项目，如深地下中微子实验（DUNE）和T2K的继任实验“超级神冈探测器”（Hyper-Kamiokande，简称Hyper-K）等，应该都具有精确计算所需的灵敏度。T2K实验的数据看起来非常有意思，在即将到来的下一代实验中，还会有一些更有趣的东西值得研究，这让科学家们非常兴奋。