物質與反物質是鏡像: 謎底加深

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反物質

科學家以前所未有的精準度發現到,物質與反物質之間是完美鏡像,據我們目前所了解的。讓人們希望了解為什麼宇宙中的物質遠比反物質多又更挫敗了。

常見的物質是由質子、中子或電子所構成。這些粒子伴隨著反粒子(分別為反質子、反中子與正電子)­具有相同質量但電荷相反 (雖然中子與反中子都為電中性,中子與反中子各自由具有分數電荷的夸克構成,而這些夸克在中子與反中子裡的電荷會互相對等或相反)。

這個已知的宇宙是由常見物質所組成。但奧妙的是,為什麼這個宇宙不是由對等數量的反物質組成,因為137億年前的大爆炸製造了同等數量的物質與反物質。如果物質與反物質為鏡像而在每方面儲存它們的電荷,兩種物質可能都不會存在,因為物質與反物質碰在一起的時候就會消滅。

反物質vs物質

檢查電荷共軛宇稱

理論物理學家懷疑宇宙中物質與反物質的極端不對稱數量,技術上稱為重子不對稱性(baryon asymmetry),可能是因為物質與反物質的不同特性所造成的,通常稱為電荷共軛宇稱(charge-parity),或稱為宇稱對稱破壞(CP symmetry violation)。然而,所有已知會造成宇稱對稱破壞的作用無法解釋為什麼相對於反物質,物質擁有極大優勢。

日本物理與化學研究所(RIKEN)粒子物理學家,同時是此研究領導作者的Stefan Ulmer告訴Live Science說,這奧妙背後的解釋可能起因於物質與反物質之間的不同特性: 例如,也許反質子(anti-proton)衰變比質子(proton)快。無論再怎麼輕微,只要發現這類的不同性,“就對於我們目前對現代物理學基本定律的了解會造成極端的後果”。

反質子

在最嚴格的實驗下,科學家利用35天週期對6500對質子與反質子進行電荷質量比例研究。研究人員利用磁場將質子與反質子框住,以避免物質與反物質接觸。然後測量這些粒子在場中的週期性移動,這特性叫做迴旋頻率(cyclotron frequency),它與那些粒子的電荷質量比例及磁場強度相同。

(在技術上,實驗中研究人員不使用簡單的質子,而是使用具有有2個電子包圍一個質子的負氫離子。藉以簡化實驗,反質子與負氫離子都是負電荷,因此對磁場會有一樣的反應。科學家就可以較容易了解在實驗中這些電子所產生的影響。)

完美鏡像

Ulmer在一份聲明稿說,科學家發現電荷質量比例在質子中與反質子中“完全一致的比例是兆分之69個部位以內”。這個測量比之前用來測量比例的方式好上四倍。

此外,研究人員也發現他們所測量的電荷質量比例在一天內不會變化超過兆分之720個部位,即地球自轉的同時環繞著太陽。這意味著質子與反質子隨著時間以相同速度快速穿越太空時的行為是相同的,即它們並沒有違反所謂的電荷共軛宇稱時間(charge-parity-time)或CPT對稱(CPT symmetry)。

反物質vs物質7

CPT對稱是粒子物理學重要的標準模型,描述基本粒子至今是如何構成宇宙的行為。沒有任何已知違反CPT對稱的存在。“任何被偵測出違反CPT對稱的存在,將會使我們對自然的了解帶來重大影響”Ulmer說。

而且,這些電荷質量比例與地球重力場的相異並未超過十億分之870個部位。意味著所有物質在同樣重力場中以同等速率落下的弱等效原理(weak equivalence principle),在這樣的精準度下依然存在。弱等效原理是愛因斯坦廣義相對論的基本原理,是迄今為止用來解釋重力作用最好的原理。沒有任何已知違反弱等效原理的存在,如果真的找到有違反原理的存在,必定會為現今科學對重力及時空,以及兩者與物質及能量之間關係的了解帶來革命性的衝擊。

Ulmer說,科學家計劃要使用更穩定的磁場以及其他方法,做到讓精準度達到比之前的方式更精準10倍以上的測量方式。
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來源: Livescience

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