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为什么“物质”主宰宇宙而不是“反物质”? 探索宇宙为何存在

在很早的时候 宇宙,大爆炸后不久,'问题’和‘反物质’都等量存在。然而,由于目前尚不清楚的原因,“问题' 主导现在 宇宙。 T2K 研究人员最近证明中微子中可能存在电荷宇称违规以及相应的反中微子振荡。这是理解原因的一个进步 问题 占主导地位 宇宙.

大爆炸(发生在大约 13.8 亿年前)和其他相关的物理学理论表明,早期 宇宙 是辐射“占主导地位”,而“问题'和'反物质'等量存在。

但是, 宇宙 我们今天知道的是“物质”占主导地位。为什么?这是最令人着迷的谜团之一 宇宙。 (1)。

我们推荐使用 宇宙 我们今天知道,从等量的“物质”和“反物质”开始,它们都是按照自然法则的要求成对产生的,然后被反复湮灭,产生被称为“宇宙背景辐射”的辐射。 在大爆炸的大约 100 微秒内,物质(粒子)以某种方式开始超过反粒子,比如说十亿分之一,并且在几秒钟内,所有的反物质都被摧毁了,只剩下物质。

在物质和反物质之间产生这种差异或不对称的过程或机制是什么?

1967 年,俄罗斯理论物理学家安德烈·萨哈罗夫 (Andrei Sakharov) 假设了宇宙中发生不平衡(或以不同速率产生物质和反物质)所需的三个条件。 宇宙。第一个萨哈罗夫条件是重子数(在相互作用中保持守恒的量子数)违规。这意味着质子极其缓慢地衰变为较轻的亚原子粒子,如中性介子和正电子。类似地,反质子衰变为π介子和电子。第二个条件是电荷共轭对称性 C 的破坏,以及电荷共轭宇称对称性 CP 也称为电荷宇称破坏。第三个条件是,由于快速膨胀减少了对湮没的发生,产生重子不对称的过程一定不能处于热平衡。

这是萨哈罗夫的 CP 违反的第二个标准,这是粒子与其反粒子之间的一种不对称性的一个例子,描述了它们的衰变方式。 通过比较粒子和反粒子的行为方式,即它们移动、相互作用和衰变的方式,科学家们可以找到这种不对称性的证据。 CP 违反提供了证据,证明某些未知的物理过程是造成物质和反物质差异产生的原因。

已知电磁和“强相互作用”在 C 和 P 下对称,因此它们在乘积 CP (3) 下也是对称的。 ''然而,对于违反 C 和 P 对称性的'弱相互作用'来说,情况并不一定如此'' BA Robson 教授说。他进一步表示,“弱相互作用中CP的破坏意味着这种物理过程可能导致重子数的间接破坏,因此物质的产生将优先于反物质的产生”。非夸克粒子不表现出任何 CP 破坏,而夸克中的 CP 破坏太小并且微不足道,在物质和反物质的产生方面没有差异。因此,轻子中的 CP 破坏(中微子)变得重要,如果它被证明那么它就会回答为什么 宇宙 是物质占主导地位。

尽管 CP 对称性违反尚未得到最终证明 (1),但 T2K 团队最近报告的发现表明科学家们真的很接近它。 通过在 T2K(东海到神冈)进行的高度复杂的实验,首次证明从粒子到电子和中微子的跃迁优于从反粒子到电子和反中微子的跃迁 (2)。 T2K 指的是日本质子加速器研究中心 (J-Parc) 的一对实验室 东海 和超级神冈地下中微子天文台 神冈, 日本,相距约300公里。 东海的质子加速器通过高能碰撞产生粒子和反粒子,神冈的探测器通过非常精确的测量观察到中微子及其反物质对应物,即反中微子。

经过对 T2K 几年的数据分析后,科学家们能够测量称为 delta-CP 的参数,该参数控制中微子振荡中的 CP 对称性破缺,并发现中微子速率增强的不匹配或偏好最终会导致中微子和反中微子振荡方式的CP破坏的确认。 T2K 团队发现的结果在 3-sigma 或 99.7% 置信水平的统计显着性方面具有显着性。这是一项里程碑式的成就,因为确认涉及中微子的CP破坏与物质在宇宙中的主导地位有关。 宇宙。进一步用更大的数据库进行实验将测试这种轻子 CP 对称性破坏是否比夸克中的 CP 破坏更大。如果是这样的话,那么我们终于可以得到为什么这个问题的答案了。 宇宙 是物质占主导地位。

虽然 T2K 实验没有明确证明 CP 对称性破坏已经发生,但它是一个里程碑,因为它最终表明了对增强电子中子速率的强烈偏好,使我们更接近证明 CP 对称性破坏的发生并最终实现回答‘为什么 宇宙 是物质占主导地位”。

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参考文献:

1. 东京大学,2020 年。“T2K 结果限制了 Neutrino CP 阶段的可能值 -.....”16 年 2020 月 XNUMX 日发布的新闻稿。可在线获取: http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ 17 年 2020 月 XNUMX 日访问。

2. T2K 合作,2020 年。对中微子振荡中物质-反物质对称性违反阶段的约束。 《自然》第 580 卷,第 339–344 页(2020 年)。 发布时间:15 年 2020 月 XNUMX 日。DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

3. Robson, BA, 2018. 物质-反物质不对称问题。 高能物理学杂志,引力与宇宙学,4, 166-178。 https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015

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