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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

科学物理为什么“物质”主宰宇宙而不是“反物质”? 探索宇宙为何存在

在非常早期的宇宙中,大爆炸后不久,“物质”和“反物质”都以等量存在。 然而,由于迄今为止未知的原因,“物质”主宰着现在的宇宙。 T2K 研究人员最近表明中微子和相应的反中微子振荡中可能发生电荷奇偶校验违规。 这是理解为什么物质主宰宇宙的一步。

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。

但是我们今天所知道的宇宙是“物质”占主导地位的。 为什么? 这是宇宙中最有趣的奥秘之一。 (1).

新的 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(或物质和反物质以不同速率产生)的三个必要条件。 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)违反。 这意味着质子极其缓慢地衰变成更轻的亚原子粒子,如中性介子和正电子。 同样,一个反质子衰变成一个π介子和一个电子。 第二个条件是违反电荷共轭对称性 C 和电荷共轭奇偶性对称性,CP 也称为电荷奇偶性违反。 第三个条件是,由于快速膨胀减少了对湮灭的发生,产生重子不对称的过程不能处于热平衡状态。

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。 他进一步说,“弱相互作用中 CP 的违反意味着这种物理过程可能导致重子数的间接违反,因此物质创造比反物质创造更受欢迎”。 非夸克粒子没有表现出任何 CP 违例,而夸克中的 CP 违例太小并且微不足道,在物质和反物质的产生上没有区别。 因此,轻子(中微子)中的 CP 违反变得重要,如果它被证明,那么它将回答为什么宇宙是物质主导的。

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。

在对 T2K 的几年数据进行分析后,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 CP 对称性的破坏,并发现不匹配或偏好增强中微子速率,这最终会导致在中微子和反中微子振荡的方式中证实了CP违反。 T2K 团队发现的结果在 3-sigma 或 99.7% 置信水平的统计显着性上是显着的。 这是一个里程碑式的成就,因为确认涉及中微子的 CP 违反与宇宙中物质的主导地位有关。 更大数据库的进一步实验将测试这种轻子 CP 对称性破坏是否大于夸克中的 CP 破坏。 如果是这样,那么我们最终将得到为什么宇宙是物质主导的问题的答案。

虽然 T2K 实验并没有明确证明 CP 对称性破坏已经发生,但它是一个里程碑,因为它最终显示出对增强电子中子速率的强烈偏好,并使我们更接近证明 CP 对称性破坏的发生并最终达到回答“为什么宇宙是物质主导的”。

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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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