研究新說:宇宙中正物質比反物質多

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【大紀元2020年10月15日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)一份即將發表在《物理評論D》(Physical Review D)上的研究,就解釋宇宙中正物質反物質多的問題提供了更精確的計算,獲得編輯推薦。

1963年在布魯克黑文實驗室進行的k介子(kaon)衰變實驗,首次觀測證實正物質反物質CP不守恆現象,並獲得諾貝爾獎。在這之後不久,物理界「標準粒子模型」理論成型,但是由於涉及到大量非常複雜的計算,至今k介子衰變過程的CP不守恆規律是否與標準粒子模型相符,這還不明確。

這項由美國布魯克黑文國家實驗室(BNL)、歐洲核子研究組織(CERN)、哥倫比亞大學、麻省理工學院等多個機構合作完成的研究,利用先進的計算機,改進了這部分計算,對k介子衰變成一對帶電的π介子(pion),還是一對中性π介子做出更精確的預測。

科學家需要了解這些衰變過程並與目前最先進的粒子實驗室實測結果進行對比,檢驗正物質和反物質的細微差異,和尋找任何標準粒子模型解釋不了的現象。

研究稱,新的計算比2015年發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)的上一份研究有了「顯著的進步」。

布魯克黑文實驗室的理論學家索尼(Amarjit Soni)說:「標準模型下更精確的計算,可能會發現實測範圍之外的現象。所以不斷改進我們的計算很重要,這樣才能對基本認知進行更有效的檢驗。」

研究者之一哥倫比亞大學的克里斯特(Norman Christ)說:「現在觀測到的正物質和反物質之間的差別,都太弱,不能解釋為什麼這個宇宙中以正物質為主導。找到實驗觀測和標準模型之間的顯著差異,將為洞察超出我們認知的粒子間相互作用提供新的思路——我們也希望由此解釋正物質和反物質的不平衡性。」

為夸克互動建模

所有尋找正反物質間差異的實驗都用到由夸克組成的粒子,以及人們稍微陌生一些的k介子和π介子。

布魯克黑文實驗室的凱利(Christopher Kelly)說:「每個k介子和π介子都由一個夸克和一個反夸克組成,在虛擬正反夸克對粒子雲的包圍下,並由傳遞作用力的膠子綁定在一起。」

因此標準粒子模型要計算這些粒子的互動,需要用到量子色動力學(QCD)描述的規律,把所有夸克、膠子間所有可能的互動都包括在內。

不僅如此,由於這些粒子運動的速度接近光速,這意味著這些計算還要包括相對論和量子理論。

哥倫比亞大學的王天樂(Tianle Wang,譯音)說:「因為要用到大量的變量,這些計算屬於所有物理學中最複雜的計算之列。」

複雜的計算

這項研究中理論學家使用了一種「晶格量子色動力學」的方法,將粒子置於四個維度的晶格之內(在三維空間上加上時間維度)。研究者說這種方法有助於展示k介子衰退成最後兩個π介子的過程內所有的量子可能性。

研究人員表示隨著晶格數量的增加,計算結果更加精確。王天樂說,他們最後的計算用到了6,700萬個變量。

研究稱,僅靠最快的計算機還不夠,還需要研究人員設計的優化代碼才能實現。這個合作組計劃在未來三到五年內,進一步改進結果。◇#

責任編輯:葉紫微

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