為什么宇宙是由物質而非反物質構成的新線索

我們從哪里來的?

對于任何人來說，這都是一個非常大的問題。如果我們想要回答這些問題，我們將不得不將其分解為較小的問題，然后進一步打破較小的問題，直到我們知道我們可以確定的為止。

我們需要回答的一個較小的問題是揭開我們起源的神秘面紗，這就是為什么宇宙是由物質而不是反物質構成的。公平地說，這仍然是一個非常大的問題，因此科學家一直在尋找基本粒子工作方式的線索。畢竟，你真的不能小于那個。

3月21日，物理學家宣布他們觀察到一種這樣的粒子顯示奇特的行為。觀察是一個小事情，需要在一天之內解釋所有反物質的去向。

宇宙今天完全由物質構成，即使在它誕生的那一刻有相同數(shù)量的物質和反物質。

這一發(fā)現(xiàn)是在意大利舉行的年度粒子物理會議Rencontres de Moriond以及CERN特別研討會上宣布的。歐洲核子研究中心是歐洲核研究實驗室，負責運行大型強子對撞機(LHC)，這是世界上最大的物理實驗，也是物理學家發(fā)現(xiàn)的地方。

“特殊行為”被稱為CP違規(guī)，并且被認為是宇宙在第一個原子形成之前失去所有反物質的原因。

'CP'代表電荷平價。如果我們的宇宙堅持CP對稱性，那么用其反粒子替換的粒子及其鏡子自旋取代的旋轉應該與原始粒子的行為相同。為了重新發(fā)現(xiàn)作為發(fā)現(xiàn)的合作成員的Patrick Koppenburg，“在鏡子中看到的反物質應該看起來像物質”。

但是，我們的宇宙違反了CP對稱性。在鏡子中看到的反物質看起來不像物質，這種失?？赡苡兄谙麥缬钪嬷蟹次镔|的供應。

以前在兩種介子中觀察到CP違反。介子是由一個夸克和一個不同類型的反夸克組成的粒子。

總共有六種夸克 - 和六種反夸克：上，下，上，下，魅力，奇怪。它們結合在一起形成了幾十種不同的介子。例如，kaon是由一個奇怪的夸克和一個上 / 下反夸克組成的介子; B介子是由一個底部反夸克和一個上 / 下 / 奇怪 / 魅力夸克組成的介子。物理學家分別在20世紀60年代和2001年觀察到了Kaons和B介子侵犯CP對稱性。

3月21日，在大型強子對撞機上使用一臺名為LHCb的探測器的物理學家宣布，第三顆粒子加入了這一組：在20世紀70年代發(fā)現(xiàn)的D0介子。每個D0介子都由魅力夸克和向上反夸克組成。這是第一次構成魅力夸克的粒子顯示出違反CP對稱性的跡象。

但即使我們現(xiàn)在有三個CP違規(guī)事件，但物質 - 反物質問題并未被視為已解決。這是因為這些實例本身并不足以解釋為什么所有的反物質都消失了。我們需要其他更強大的“來源”。

例如，迄今為止僅在含有夸克和/或反夸克的粒子中觀察到CP對稱性違反。我們還需要在“輕子區(qū)”中找到這種違規(guī)的證據(jù) - 即觀察違反CP對稱性的電子和中微子 - 以及涉及強核力的相互作用。這就是粒子物理學的標準模型，它是物理學家用來理解當前已知基本粒子的一套規(guī)則。

揭示所有這些的關鍵是弄清楚為什么違規(guī)發(fā)生在碼頭中已經(jīng)存在的粒子中。

CP對稱性違反的核心罪行是由一支稱為弱核力量的基本力量所致。這種力量因引起鈾和钚等重原子的放射性而聞名。同樣的力量也優(yōu)先與左手夸克相互作用，而忽略了右手夸克。

因此，在一系列涉及夸克和反夸克以及其他粒子的反應中，弱力確保產生物質的過程比產生反物質的過程更頻繁地發(fā)生。這樣，在一些與反物質相結合并變成純能量之后，還有很多事情遺留下來。

理論物理學家馬特·斯特拉斯勒(Matt Strassler)稱，在D0介子中發(fā)現(xiàn)CP違規(guī)行為是博客文章中 LHCb的“真正政變” ，并且它“符合預期”。

粒子物理學的標準模型已經(jīng)預測這些違規(guī)應該發(fā)生在不同的粒子中。但是，預測有點近似 - 沒有我們想要的小數(shù)位數(shù)。

這是因為，如前所述，有三種預期的CP違規(guī)來源：夸克部門，輕子部門和涉及強大核力量的相互作用。因此，當D0介子違反CP對稱性時，其違反的程度有兩個貢獻：一些來自夸克部門，一些來自強核力，即將夸克固定在一起的力量。涉及強核力的計算非常復雜，因此物理學家在尋找答案的道路上做了近似。

因此，我們不知道LHCb發(fā)現(xiàn)的違規(guī)程度以及標準模型預測的違規(guī)程度如何匹配。如果它們接近，那就沒關系; 在D0介子中發(fā)現(xiàn)CP違規(guī)將是我們已經(jīng)看到的事情。但如果它不接近 - 即如果LHCb看到的違規(guī)程度大于標準模型所預測的程度 - 那么它變得非常非常有趣。

到目前為止，標準模型已經(jīng)解釋了所有已知基本粒子的行為：輕子，夸克和玻色子。但它沒有回答關于為什么粒子的屬性是什么，為什么有六種類型的夸克，暗物質是什么等問題的答案。許多物理學家都希望有更多的粒子可以幫助解決這些問題。的問題。這些粒子的物理學被稱為“新物理學”。

長話短說：我們不知道D0介子中的CP違反是否是“新物理”的標志。如果是，那將是一個巨大的結果。但這不太可能是因為標準模型非常擅長做出準確的預測。

但正如曼徹斯特大學物理講師Marco Gersabeck 寫道：“有充分理由相信，物理學有朝一日能夠解釋我們?yōu)槭裁磿谶@里。”