反物質上哪去了?歐洲強子對撞機發現新線索

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【大紀元2021年01月17日訊】(大紀元記者高文森編譯報導)科學家發現能探測到的所有粒子,都存在其對應的反粒子,即特性一模一樣,只是帶相反電荷的粒子。科學家把這兩種物質分別稱為正物質和反物質。還認為,當正物質遇到反物質將發生「湮滅」,消失成為一道能量。

可是,按照大爆炸誕生宇宙的理論,大爆炸將生成對等數量的正物質和反物質。那麼二者遇到將全部湮滅。然而今天我們看到的宇宙中,幾乎找不到反物質的蹤影,至今科學家只在一些放射性衰變過程和宇宙射線中發現一些反物質。那反物質上哪兒去了,大爆炸之後發生了什麼事情?這一直是物理學上最大的難題之一。

最近,擁有世界上最大粒子加速器的歐洲核研究組織(CERN)在正物質和反物質的研究上,發現了能夠解釋這個疑問的一點新的線索。

科學家對這個問題提出了一個大概的解釋,認為大爆炸後在那個又高溫又高密度的狀態下,一定存在某種變化過程,更容易產生正物質,導致正物質相比反物質出現少量盈餘。隨著宇宙的降溫,所有的反物質都和等量的正物質發生湮滅而被銷毀,最後盈餘的那部分正物質,生成了現在我們看到的宇宙。

具體是怎樣的過程才會導致正物質出現盈餘,現在還不明確,也是過去幾十年來物理學家在鑽研的問題。

新研究發現了什麼呢?這得從已知的正反粒子振蕩、正反粒子衰變差異說起。

正反粒子振蕩過程的衰變差異

夸克是現在科學家追蹤到的組成物質的最基本粒子。科學家從夸克入手研究正物質和反物質的區別。夸克有上(up)、下(down)、頂(top)、底(bottom)、粲(charm)和奇(strange)六種味態,每種味態的夸克都有它們對應的反夸克。

普通物質原子核內的質子和中子由上夸克和下夸克構成,其它夸克則由高能物理過程產生,比如歐洲核研究組織的大型強子對撞機

科學家把由一個夸克和一個反夸克組成的粒子稱為介子,並發現四種中性介子(B⁰s、B⁰、D⁰和K⁰)很特別。1960年,科學家第一次觀察到,這些介子能夠自發地變成自己的反粒子,再變回來,也就是說在正反粒子之間出現來回的振蕩。

由於它們不穩定,在振蕩過程的某個階段它們將衰變成更穩定的粒子,而正介子和反介子的衰變過程存在著細微的不同。卡比博-小林-益川矩陣(Cabibbo-Kobayashi-Maskawa,CKM)就是描述振蕩和衰變規律的框架理論。

該理論提出,由於振蕩過程中正反粒子衰變的不同,導致正物質稍微多一些,但是,這個差別還不足以解釋當今宇宙正物質的富餘。

所以,科學家仍在尋找究竟還有哪些不知道的基礎物理過程,才能解釋這個謎題。

新發現是什麼?

歐洲核研究組織的大型強子對撞機(LHCb)研究B⁰s介子衰變成一對帶電K介子的過程。不同的質子相撞產生的B⁰s介子,每秒鐘可在自身和反粒子之間來回振蕩3萬億次。

不同的質子對撞除了產生B⁰s介子,也會產生B⁰s介子的反粒子,也會經歷類似的振蕩。研究人員由此將正介子和反介子的特性進行對比。

結果發現,其中一種介子的衰變率稍微高一些。研究稱,這是第一次觀測發現正反B⁰s介子的衰變,在振蕩過程中出現的不對稱現象。

研究稱,這項發現是正反物質差異研究上的一項里程碑,而且他們測量得到了不對稱性的幅度。這一數據有助於測量完善這一理論的多個參數。

英國格拉斯哥大學(University of Glasgow)粒子物理學教授埃克倫德(Lars Eklund)說,從多個不同的角度調查正反物質不對稱的機制,將幫助科學家找到這個謎題的根本答案。「從最小粒子層面研究,是我們了解大範圍宇宙的最佳途徑。」◇

責任編輯:朱涵儒#

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