新的CERN研究揭示了物质反物质之谜

科技2020-03-23 15:58:04
导读我们为什么存在?这可以说是最深刻的问题,也可能看起来完全超出了粒子物理学的范畴。但是我们在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上的新实

我们为什么存在?这可以说是最深刻的问题,也可能看起来完全超出了粒子物理学的范畴。但是我们在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上的新实验让我们更接近了解它。

要理解为什么,让我们回到大爆炸大约138亿年。这个事件产生了相同数量的物质和反物质。据信,每个粒子都有一个与其自身几乎完全相同但具有相反电荷的反物质伴星。当粒子和它的反粒子相遇时,它们会相互湮灭 - 在一阵光线中消失。

为什么我们今天看到的宇宙完全是由物质构成的,这是现代物理学最大的奥秘之一。如果有相同数量的反物质,宇宙中的一切都将被消灭。我们的研究揭示了物质和反物质之间这种不对称的新来源。

反物质首先由亚瑟舒斯特于1896年假设,由保罗狄拉克于1928 年提供理论基础,并于1932年由卡尔安德森以反电子的形式发现,称为正电子。正电子发生在天然放射性过程中,如钾-40的衰变。这意味着你的普通香蕉(含有钾)每75分钟发出一次正电子。然后它们随物质电子湮灭产生光。PET扫描仪等医疗应用在同一过程中产生反物质。

构成原子的物质的基本构成块是称为夸克和轻子的基本粒子。夸克有六种:向上,向下,奇怪,魅力,底部和顶部。同样,有六个轻子:电子,μ子,tau和三个中微子。还有这十二种颗粒的反物质拷贝,它们的电荷不同。

反物质粒子原则上应该是其正常伴侣的完美镜像。但实验表明情况并非总是这样。例如,称为介子的粒子,由一个夸克和一个反夸克组成。中性介子具有一个迷人的特征:它们可以自发地变成它们的反介子,反之亦然。在这个过程中,夸克变成反夸克或反夸克变成夸克。但是实验表明,这可能发生在一个方向上而不是相反的方向 - 随着时间的推移产生的物质比反物质更多。

第三次是一个魅力

在含有夸克的粒子中,只有那些包括奇怪和底夸克的粒子被发现具有这种不对称性 - 这些都是非常重要的发现。非常先观察在1964年涉及奇异粒子的不对称使理论家预测六种夸克的存在-在这个时候只有三个被称为存在。2001年发现底部粒子的不对称性是对导致六夸克图像的机制的最终证实。这两项发现都获得了诺贝尔奖。

奇怪的和底夸克都带有负电荷。在理论上应该能够形成能够表现出物质 - 反物质不对称性的粒子的唯一带正电的夸克是有魅力的。理论表明如果确实如此,那么效果应该很小并且难以检测。

但是,LHCb实验现在已经成功地首次观察到称为D-meson的颗粒中的这种不对称性- 这是由魅力夸克组成的。这是由我在十年前开创的LHC碰撞中直接产生的前所未有的魅力粒子所能实现的。结果表明,这种统计波动的可能性大约为50亿。

如果这种不对称性不是来自导致奇怪和底夸克不对称的相同机制,那么这为物质的新来源 - 反物质不对称留下了空间,这可能会增加早期宇宙中的这种不对称性。这很重要,因为少数已知的不对称情况无法解释为什么宇宙包含如此多的物质。仅仅魅力发现不足以填补这一空白,但它是理解基本粒子相互作用的重要难题。

下一步

这一发现之后将有更多的理论着作,这有助于解释结果。但更重要的是,它将概述进一步的测试,以加深我们的发现后的理解 - 许多此类测试已经在进行中。

在未来十年,升级的LHCb实验将提高这些测量的灵敏度。这将由日本的Belle II实验补充,该实验刚刚开始运作。这些是物质 - 反物质不对称研究的令人兴奋的前景。

反物质也是许多其他实验的核心。CERN的Antiproton减速器正在生产整个反原子,它为许多实验提供高精度测量。在AMS-2实验登上国际空间站是在寻找宇宙起源的反物质。目前和未来的一些实验将解决中微子之间是否存在反物质不对称的问题。

虽然我们仍然无法彻底解决宇宙物质 - 反物质不对称的神秘感,但我们的最新发现为精确测量时代打开了大门,这个时代有可能揭示未知现象。我有理由乐观地认为物理学有一天能够解释我们为什么会在这里。

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