宇宙的构成是物质还是反物质的？一起来看看吧

来自中微子的新证据指向了一种关于为什么宇宙是由物质而不是反物质组成的理论。

在宇宙开端，世界上存在着物质和反物质，后来只剩下物质了。这是为什么？这个问题是物理学中具有决定性意义的谜团之一。几十年来，理论家们一直在尝试想出潜在的解决方案，其中大多数涉及到宇宙中已知粒子以外存在的额外粒子的问题。

科学家宣布了一项令人兴奋的发现，指出了一种可能的解决方案，但数据并未得出决定性的发现。无论最终答案是什么，解决这个问题可能会告诉我们更多，不仅仅能够告诉我们，为什么我们生活在一个物质宇宙中，它还可能会揭示宇宙最早时代的秘密，甚至将我们与科学家都难以弄清的无形暗物质联系起来。

大多数关于物质如何胜过反物质的理论主要分为两大阵营。其中一种理论弱电重子生成（electroweak baryogenesis），它提出了基于希格斯玻色子的一些粒子——这种粒子与万物如何获得质量有关。如果这些希格斯表亲存在，他们可能帮助引发了一场突然的相变，类似于宇宙早期水从液体转变为气体时的转变，这可能导致太空中物质略多于反物质。当物质和反物质接触时，它们会相互湮灭，所以年轻宇宙中的大部分物质都会被摧毁，只留下少量过剩的物质来形成我们周围的星系、恒星和行星。

另一种主要的理论被称为“轻子起源”（leptogenesis），它源于中微子。这些粒子比夸克轻得多，以轻盈的方式穿过宇宙，几乎不会停下来与任何东西相互作用。根据这种设想，除了我们所知的常规中微子外，还有非常重的中微子，它们是如此巨大，以至于只有在宇宙非常炎热和密集的时候，才可能是从大爆炸之后存在的巨大能量和温度中锻造出来的。人们认为，当这些粒子不可避免地分解成更小、更稳定的物种时，它们产生的物质可能比反物质的副产品略多，导致了我们今天看到的现象。

两个谜团最终和成为一个最终奥秘

日本东海至神冈T2K（Tokai To Kamioka）实验的科学家们最近宣布的这一消息，为轻子起源的概念提供了充满希望的发现。这项实验观察了中微子在地下300公里处穿行，并在三种类型之间变化的过程——这是中微子的一种特殊能力，称为振荡。T2K研究人员在中微子中检测到比反中微子更多的振荡，这表明两者不仅仅只是彼此的镜像，在实际上会有不同的表现。

粒子和反物质之间的这种差异被称为CP破坏，这是探索宇宙诞生后物质是如何超越反物质的有力线索。石溪大学（Stony Brook University）的T2K团队成员Chang Kee Jung说：“我们还不认为这能够成为一项发现。”实验现在已经以95%的置信度排除了中微子有零CP破坏的可能性，它表现出粒子可能显示出允许的最大可能的CP破坏。然而，需要更多的数据，可能还需要未来的实验，才能准确地测量中微子和反中微子到底有多大的不同。

即使物理学家在中微子中明确发现了CP破坏，他们也不能完全解决宇宙反物质问题。加州大学欧文分校的理论物理学家塞达·伊佩克（Seyda Ipek）说，这样的发现对于证明轻子起源是“必要的，但还不够”。该理论的另一个要求是，中微子和反中微子在根本上是一回事。这看似矛盾的事情怎么可能发生呢？物质和反物质被认为是相同的，除了相反的电荷。中微子不带电荷，可能两者同时存在。

如果这种可能性是真的，它也可以解释为什么中微子如此之轻——也许还不到电子质量的六百万分之一。如果中微子和反中微子是相同的，它们可能不会像大多数粒子那样通过与希格斯场（与希格斯玻色子相关）的相互作用来获得质量，而是通过另一种称为跷跷板机制的过程获得质量。它们的微小质量将与早期宇宙中出现的重中微子的质量成反比。“当一个向上时，另一个就会向下，就像跷跷板一样，”伊佩克说。

位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermilab）的理论物理学家杰西卡·特纳（Jessica Turner）说：“细粒发生学是解释事物的一种非常优雅的方式。”“首先，你要回答为什么物质比反物质多。第二，你要解释为什么中微子的质量这么小。”

中微子是自己反物质的对应物的证据可能来自于寻找一种名为无中微子双β衰变的理论化反应的实验，这种反应只有在中微子能够像物质和反物质接触时那样湮灭自己的情况下才会发生。然而，即使这一发现也不能完全证明轻子起源的过程发生过。“如果你测量我们所能看到的最可能的CP破坏，如果你观察到中微子是它们自己的反粒子，我们会只能说这是间接证据，而不是直接证据，”特纳说。

与黑暗的一部分连接

物理学家说，摆在桌面上的另一种理论选择——弱电重子发生——可能更容易研究。费米实验室理论物理系主任玛塞拉·卡莱纳（Marcela Carena）表示，尽管与细微形成有关的重中微子的产生很可能超出粒子加速器的能力，但这一理论预测的额外希格斯玻色子可能会出现在大型强子对撞机上。即使机器不直接制造它们，这些希格斯近亲也可以微妙但可察觉地与它产生的传统希格斯玻色子相互作用。

弱电重子的发生也需要宇宙中额外的CP破坏，但不需要特别在中微子中。事实上，在夸克中已经发现了CP破坏，尽管数量如此之少，以至于它不能解释物质-反物质的不平衡。这一理论缺失的CP破坏可能隐藏在所谓的暗区——被认为构成了太空中大部分物质的不可见暗物质的领域。也许暗物质和暗反物质的行为不同，这种差异可以解释我们所知的宇宙。卡雷纳说：“我的工作一直试图将宇宙中物质-反物质的不平衡与我们需要一些迄今未见过的东西来解释暗物质的想法联系起来。”

电弱重子发生的证据不仅可以通过探测额外的希格斯粒子来寻找，还可以通过寻找暗物质和暗扇区的大量实验来获得。此外，如果宇宙相变发生在宇宙大爆炸之后不久，正如理论假设的那样，它可能已经产生了引力波，这些引力波可能会被未来的实验发现，比如激光干涉仪空间天线（LISA），这是一种将于本世纪30年代发射的天基引力波探测器。

不过最终宇宙可能会让我们大吃一惊。可能既没有“轻子起源”，也没有弱电重力化发生。“这并不是唯一的两个选择——理论领域非常广阔，”伊佩克说。例如，她最近研究了一个模型，该模型涉及质子和中子内部夸克的强相互作用中的CP破坏，而理论家们也在研究许多其他的想法。特纳说：“我认为我们需要让自己探索所有的可能性。”“自然界就是这样解体的，我们无法控制。我们只能尽最大努力去理解它。”

与此同时，对中微子CP破坏的确切测量至少近在眼前。即将到来的项目，如深地中微子实验和T2K的继任者超神冈（Hyper-K），应该具有精确计算所需的灵敏度。芝加哥大学的沙丘联合发言人Ed Blucher说：“T2K数据看起来十分有趣。”“在即将到来的下一代实验中，将会有一些有趣的东西可供研究，这让我非常兴奋。”