新物理學實驗發現了為何宇宙中沒有大量反物質的線索

這世界有很多難以被解釋的東西,其中之一就是為什麼宇宙是由物質而不是反物質構成的,反物質具有相同的質量但帶相反的電荷。 物質與反物質之間必須存在著根本的區別,才能解釋我們在宇宙中看到的東西,但我們尚未發現那是什麼。日本T2K實驗(Tokai to Kamioka)產生近十年的數據提供了迄今最強有力的證據,一種不平衡狀態可以幫助解釋為什麼物質在最初出現時就沒有消失。

當宇宙仍然是一個又熱又小(但正在擴展)的混亂狀態時,能量凝結成粒子應導致具有相反性質的粒子互相毀滅才對。這表示帶負電的電子會與帶正電的反物質雙胞台(正電子)一起出現。 由於有反物質的物質會在大量的輻射中抵消不見,因此太空中應該只剩下光波而沒有其他東西。很明顯的,事實並非如此,至少不是全部, 足夠多的物質粒子剩了下來,最終形成了恆星、彗星、行星與我們所知道的一切。

這項研究查看了近乎無質量的微中子改變形式時,與反微中子相比會有什麼顯著的差異。微中子是不帶電荷的基本粒子,是宇宙中最豐富的粒子之一,他們幾乎不跟任何東西有互動。 每秒,約有100萬億個微中子通過你的身體,而都沒有人注意到。實際上,正是微中子的豐富性,加上它們能切換特性的奇特行為(被描述為改變風味),吸引了物理學家尋求從暗物質到我們周圍粒子類型明顯失衡一切事物的解釋。

微中子有三種類型或風味,每種都有相對的反微中子。 不過,微中子不會停留在它們的類型中,而會從一種類型「振盪」成另一種類型。日本T2K實驗的合作已經產生了證據,顯示微中子比反微中子在各種風味之間的振盪更好。 這可能是我們需要了解為什麼宇宙最終是由物質而不是反物質構成的關鍵。

其中,違反CP對稱性被認為是關鍵的因素,CP代表電荷交換和奇偶性,這是指對立粒子所發生的變化。 例如,當粒子變成反粒子時,正電荷會變成負電荷。 而奇偶性是坐標的移動,像你的左手在鏡像中是你的右手一樣。翻轉系統中的電荷和奇偶性不應改變物理學運作的方式,因此我們可以說它遵循CP對稱性。 如果確實發現了差異,則可以說違反了CP對稱性。如果早期宇宙中粒子對稱性的破壞夠大的話,那麼它可能會產生連鎖反應,使粒子剩下來。 也不用多,每產生100億個光子,只需要保留幾個粒子即可。

早在1964年就已經發現了這種違反的行為,當時兩名美國物理學家在大量K介子的夸克統計數據中發現一種罕見的衰變類型。雖然這是一個里程碑的發現,但這種特殊違反行為的規模卻還不足以解釋我們今天所看到物質中的不平衡。從那時起,許多物理學家將能看到重大違反CP對稱性的希望寄託於其他的粒子類別(例如有電子和微中子的粒子)。

超級神岡探測器(Super Kamiokande detector)的研究人員記錄了微中子從300公里遠(約180英里)的日本大強度陽子加速器施設(Japanese Proton Accelerator Research Complex)旅行過來的振動測量。他們將9年的研究結果與描述粒子在該距離內應如何變化的模型進行比較。

研究人員發現結果拒絕了微中子和反微中子之間的對稱性,這有99.7%信心水準。 這很高,但這不是粒子物理學中期望的黃金標準,這表示這是一個令人興奮的暗示,但不是確定的。這項研究中的大量數據表示我們更加確定,對稱性的破壞是微中子風味振蕩背後的原因。

這項合作將繼續收集數據並完善觀測結果,以更好地限制微中子和反微中子之間的差異,並找到執行這些觀測結果的更好方法。

T2K實驗的研究員Laura Kormos博士表示:「我們的數據持續暗示,自然界在這過程中幾乎傾向於最大的不對稱性。就像自然界的母親那樣,這些看似微不足道、難以研究的微小粒子是宇宙存在的驅動力。這結果將有助於塑造T2K未來階段以及下一代實驗的發展。這是多年研究令人振奮的成果。」

參考資料: Nature

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