為什么宇宙是由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成的新線索

我們從哪里來(lái)的?

對(duì)于任何人來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)非常大的問(wèn)題。如果我們想要回答這些問(wèn)題，我們將不得不將其分解為較小的問(wèn)題，然后進(jìn)一步打破較小的問(wèn)題，直到我們知道我們可以確定的為止。

我們需要回答的一個(gè)較小的問(wèn)題是揭開(kāi)我們起源的神秘面紗，這就是為什么宇宙是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)構(gòu)成的。公平地說(shuō)，這仍然是一個(gè)非常大的問(wèn)題，因此科學(xué)家一直在尋找基本粒子工作方式的線索。畢竟，你真的不能小于那個(gè)。

3月21日，物理學(xué)家宣布他們觀察到一種這樣的粒子顯示奇特的行為。觀察是一個(gè)小事情，需要在一天之內(nèi)解釋所有反物質(zhì)的去向。

宇宙今天完全由物質(zhì)構(gòu)成，即使在它誕生的那一刻有相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。

這一發(fā)現(xiàn)是在意大利舉行的年度粒子物理會(huì)議Rencontres de Moriond以及CERN特別研討會(huì)上宣布的。歐洲核子研究中心是歐洲核研究實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)運(yùn)行大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，這是世界上最大的物理實(shí)驗(yàn)，也是物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)的地方。

“特殊行為”被稱(chēng)為CP違規(guī)，并且被認(rèn)為是宇宙在第一個(gè)原子形成之前失去所有反物質(zhì)的原因。

'CP'代表電荷平價(jià)。如果我們的宇宙堅(jiān)持CP對(duì)稱(chēng)性，那么用其反粒子替換的粒子及其鏡子自旋取代的旋轉(zhuǎn)應(yīng)該與原始粒子的行為相同。為了重新發(fā)現(xiàn)作為發(fā)現(xiàn)的合作成員的Patrick Koppenburg，“在鏡子中看到的反物質(zhì)應(yīng)該看起來(lái)像物質(zhì)”。

但是，我們的宇宙違反了CP對(duì)稱(chēng)性。在鏡子中看到的反物質(zhì)看起來(lái)不像物質(zhì)，這種失常可能有助于消滅宇宙中反物質(zhì)的供應(yīng)。

以前在兩種介子中觀察到CP違反。介子是由一個(gè)夸克和一個(gè)不同類(lèi)型的反夸克組成的粒子。

總共有六種夸克 - 和六種反夸克：上，下，上，下，魅力，奇怪。它們結(jié)合在一起形成了幾十種不同的介子。例如，kaon是由一個(gè)奇怪的夸克和一個(gè)上 / 下反夸克組成的介子; B介子是由一個(gè)底部反夸克和一個(gè)上 / 下 / 奇怪 / 魅力夸克組成的介子。物理學(xué)家分別在20世紀(jì)60年代和2001年觀察到了Kaons和B介子侵犯CP對(duì)稱(chēng)性。

3月21日，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上使用一臺(tái)名為L(zhǎng)HCb的探測(cè)器的物理學(xué)家宣布，第三顆粒子加入了這一組：在20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)的D0介子。每個(gè)D0介子都由魅力夸克和向上反夸克組成。這是第一次構(gòu)成魅力夸克的粒子顯示出違反CP對(duì)稱(chēng)性的跡象。

但即使我們現(xiàn)在有三個(gè)CP違規(guī)事件，但物質(zhì) - 反物質(zhì)問(wèn)題并未被視為已解決。這是因?yàn)檫@些實(shí)例本身并不足以解釋為什么所有的反物質(zhì)都消失了。我們需要其他更強(qiáng)大的“來(lái)源”。

例如，迄今為止僅在含有夸克和/或反夸克的粒子中觀察到CP對(duì)稱(chēng)性違反。我們還需要在“輕子區(qū)”中找到這種違規(guī)的證據(jù) - 即觀察違反CP對(duì)稱(chēng)性的電子和中微子 - 以及涉及強(qiáng)核力的相互作用。這就是粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，它是物理學(xué)家用來(lái)理解當(dāng)前已知基本粒子的一套規(guī)則。

揭示所有這些的關(guān)鍵是弄清楚為什么違規(guī)發(fā)生在碼頭中已經(jīng)存在的粒子中。

CP對(duì)稱(chēng)性違反的核心罪行是由一支稱(chēng)為弱核力量的基本力量所致。這種力量因引起鈾和钚等重原子的放射性而聞名。同樣的力量也優(yōu)先與左手夸克相互作用，而忽略了右手夸克。

因此，在一系列涉及夸克和反夸克以及其他粒子的反應(yīng)中，弱力確保產(chǎn)生物質(zhì)的過(guò)程比產(chǎn)生反物質(zhì)的過(guò)程更頻繁地發(fā)生。這樣，在一些與反物質(zhì)相結(jié)合并變成純能量之后，還有很多事情遺留下來(lái)。

理論物理學(xué)家馬特·斯特拉斯勒(Matt Strassler)稱(chēng)，在D0介子中發(fā)現(xiàn)CP違規(guī)行為是博客文章中 LHCb的“真正政變” ，并且它“符合預(yù)期”。

粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)預(yù)測(cè)這些違規(guī)應(yīng)該發(fā)生在不同的粒子中。但是，預(yù)測(cè)有點(diǎn)近似 - 沒(méi)有我們想要的小數(shù)位數(shù)。

這是因?yàn)?，如前所述，有三種預(yù)期的CP違規(guī)來(lái)源：夸克部門(mén)，輕子部門(mén)和涉及強(qiáng)大核力量的相互作用。因此，當(dāng)D0介子違反CP對(duì)稱(chēng)性時(shí)，其違反的程度有兩個(gè)貢獻(xiàn)：一些來(lái)自夸克部門(mén)，一些來(lái)自強(qiáng)核力，即將夸克固定在一起的力量。涉及強(qiáng)核力的計(jì)算非常復(fù)雜，因此物理學(xué)家在尋找答案的道路上做了近似。

因此，我們不知道LHCb發(fā)現(xiàn)的違規(guī)程度以及標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的違規(guī)程度如何匹配。如果它們接近，那就沒(méi)關(guān)系; 在D0介子中發(fā)現(xiàn)CP違規(guī)將是我們已經(jīng)看到的事情。但如果它不接近 - 即如果LHCb看到的違規(guī)程度大于標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的程度 - 那么它變得非常非常有趣。

到目前為止，標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)解釋了所有已知基本粒子的行為：輕子，夸克和玻色子。但它沒(méi)有回答關(guān)于為什么粒子的屬性是什么，為什么有六種類(lèi)型的夸克，暗物質(zhì)是什么等問(wèn)題的答案。許多物理學(xué)家都希望有更多的粒子可以幫助解決這些問(wèn)題。的問(wèn)題。這些粒子的物理學(xué)被稱(chēng)為“新物理學(xué)”。

長(zhǎng)話短說(shuō)：我們不知道D0介子中的CP違反是否是“新物理”的標(biāo)志。如果是，那將是一個(gè)巨大的結(jié)果。但這不太可能是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型非常擅長(zhǎng)做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

但正如曼徹斯特大學(xué)物理講師Marco Gersabeck 寫(xiě)道：“有充分理由相信，物理學(xué)有朝一日能夠解釋我們?yōu)槭裁磿?huì)在這里。”