研究新说:宇宙中正物质比反物质多

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【大纪元2020年10月15日讯】(大纪元记者高文森编译报导)一份即将发表在《物理评论D》(Physical Review D)上的研究,就解释宇宙中正物质反物质多的问题提供了更精确的计算,获得编辑推荐。

1963年在布鲁克黑文实验室进行的k介子(kaon)衰变实验,首次观测证实正物质反物质CP不守恒现象,并获得诺贝尔奖。在这之后不久,物理界“标准粒子模型”理论成型,但是由于涉及到大量非常复杂的计算,至今k介子衰变过程的CP不守恒规律是否与标准粒子模型相符,这还不明确。

这项由美国布鲁克黑文国家实验室(BNL)、欧洲核子研究组织(CERN)、哥伦比亚大学、麻省理工学院等多个机构合作完成的研究,利用先进的计算机,改进了这部分计算,对k介子衰变成一对带电的π介子(pion),还是一对中性π介子做出更精确的预测。

科学家需要了解这些衰变过程并与目前最先进的粒子实验室实测结果进行对比,检验正物质和反物质的细微差异,和寻找任何标准粒子模型解释不了的现象。

研究称,新的计算比2015年发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)的上一份研究有了“显着的进步”。

布鲁克黑文实验室的理论学家索尼(Amarjit Soni)说:“标准模型下更精确的计算,可能会发现实测范围之外的现象。所以不断改进我们的计算很重要,这样才能对基本认知进行更有效的检验。”

研究者之一哥伦比亚大学的克里斯特(Norman Christ)说:“现在观测到的正物质和反物质之间的差别,都太弱,不能解释为什么这个宇宙中以正物质为主导。找到实验观测和标准模型之间的显着差异,将为洞察超出我们认知的粒子间相互作用提供新的思路——我们也希望由此解释正物质和反物质的不平衡性。”

为夸克互动建模

所有寻找正反物质间差异的实验都用到由夸克组成的粒子,以及人们稍微陌生一些的k介子和π介子。

布鲁克黑文实验室的凯利(Christopher Kelly)说:“每个k介子和π介子都由一个夸克和一个反夸克组成,在虚拟正反夸克对粒子云的包围下,并由传递作用力的胶子绑定在一起。”

因此标准粒子模型要计算这些粒子的互动,需要用到量子色动力学(QCD)描述的规律,把所有夸克、胶子间所有可能的互动都包括在内。

不仅如此,由于这些粒子运动的速度接近光速,这意味着这些计算还要包括相对论和量子理论。

哥伦比亚大学的王天乐(Tianle Wang,译音)说:“因为要用到大量的变量,这些计算属于所有物理学中最复杂的计算之列。”

复杂的计算

这项研究中理论学家使用了一种“晶格量子色动力学”的方法,将粒子置于四个维度的晶格之内(在三维空间上加上时间维度)。研究者说这种方法有助于展示k介子衰退成最后两个π介子的过程内所有的量子可能性。

研究人员表示随着晶格数量的增加,计算结果更加精确。王天乐说,他们最后的计算用到了6,700万个变量。

研究称,仅靠最快的计算机还不够,还需要研究人员设计的优化代码才能实现。这个合作组计划在未来三到五年内,进一步改进结果。◇#

责任编辑:叶紫微

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