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反物质上哪去了? 欧洲强子对撞机发现新线索

强子对撞机 粒子加速器
发布:2021-01-18 14:53:24     来源:大纪元


 基本粒子示意图。(ShutterStock)

科学家发现能探测到的所有粒子,都存在其对应的反粒子,即特性一模一样,只是带相反电荷的粒子。科学家把这两种物质分别称为正物质和反物质。还认为,当正物质遇到反物质将发生“湮灭”,消失成为一道能量。

可是,按照大爆炸诞生宇宙的理论,大爆炸将生成对等数量的正物质和反物质。那么二者遇到将全部湮灭。然而今天我们看到的宇宙中,几乎找不到反物质的踪影,至今科学家只在一些放射性衰变过程和宇宙射线中发现一些反物质。那反物质上哪儿去了,大爆炸之后发生了什么事情?这一直是物理学上最大的难题之一。

最近,拥有世界上最大粒子加速器的欧洲核研究组织(CERN)在正物质和反物质的研究上,发现了能够解释这个疑问的一点新的线索。

科学家对这个问题提出了一个大概的解释,认为大爆炸后在那个又高温又高密度的状态下,一定存在某种变化过程,更容易产生正物质,导致正物质相比反物质出现少量盈余。随着宇宙的降温,所有的反物质都和等量的正物质发生湮灭而被销毁,最后盈余的那部分正物质,生成了现在我们看到的宇宙。

具体是怎样的过程才会导致正物质出现盈余,现在还不明确,也是过去几十年来物理学家在钻研的问题。

新研究发现了什么呢?这得从已知的正反粒子振荡、正反粒子衰变差异说起。

正反粒子振荡过程的衰变差异

夸克是现在科学家追踪到的组成物质的最基本粒子。科学家从夸克入手研究正物质和反物质的区别。夸克有上(up)、下(down)、顶(top)、底(bottom)、粲(charm)和奇(strange)六种味态,每种味态的夸克都有它们对应的反夸克。

普通物质原子核内的质子和中子由上夸克和下夸克构成,其它夸克则由高能物理过程产生,比如欧洲核研究组织的大型强子对撞机。

科学家把由一个夸克和一个反夸克组成的粒子称为介子,并发现四种中性介子(B⁰s、B⁰、D⁰和K⁰)很特别。1960年,科学家第一次观察到,这些介子能够自发地变成自己的反粒子,再变回来,也就是说在正反粒子之间出现来回的振荡。

由于它们不稳定,在振荡过程的某个阶段它们将衰变成更稳定的粒子,而正介子和反介子的衰变过程存在着细微的不同。卡比博-小林-益川矩阵(Cabibbo-Kobayashi-Maskawa,CKM)就是描述振荡和衰变规律的框架理论。

该理论提出,由于振荡过程中正反粒子衰变的不同,导致正物质稍微多一些,但是,这个差别还不足以解释当今宇宙正物质的富余。

所以,科学家仍在寻找究竟还有哪些不知道的基础物理过程,才能解释这个谜题。

新发现是什么?

欧洲核研究组织的大型强子对撞机(LHCb)研究B⁰s介子衰变成一对带电K介子的过程。不同的质子相撞产生的B⁰s介子,每秒钟可在自身和反粒子之间来回振荡3万亿次。

不同的质子对撞除了产生B⁰s介子,也会产生B⁰s介子的反粒子,也会经历类似的振荡。研究人员由此将正介子和反介子的特性进行对比。

结果发现,其中一种介子的衰变率稍微高一些。研究称,这是第一次观测发现正反B⁰s介子的衰变,在振荡过程中出现的不对称现象。

研究称,这项发现是正反物质差异研究上的一项里程碑,而且他们测量得到了不对称性的幅度。这一数据有助于测量完善这一理论的多个参数。

英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)粒子物理学教授埃克伦德(Lars Eklund)说,从多个不同的角度调查正反物质不对称的机制,将帮助科学家找到这个谜题的根本答案。“从最小粒子层面研究,是我们了解大范围宇宙的最佳途径。”

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