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粒子物理里程碑:为何宇宙中正物质比反物质多?

2019-4-1 环球解密

物理学家认为这个宇宙中任何粒子都存在其对应的反粒子,即在完全对等的情况下,电荷相反的粒子。当正反物质相遇时,就会湮灭成一道能量而消逝。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。

对氢原子和反氢原子的精确研究显示,两者各项参数的差别不到十亿分之一,只是电荷相反。科学家们还普遍认为,宇宙在约140亿年前大爆炸诞生后有着等量的正反物质,但这就牵扯一个长期令人困惑的问题:为什么我们周围都是正物质,反物质如此罕见呢?如果总是等量存在,我们的世界恐怕早已不存在了。

自然界中很多东西都有放射性,只是很微弱,对人体不会产生什么影响。而在放射过程中,自然地会产生反物质,比如钾-40的衰变。香蕉中含有钾元素的多种同位素,主要有K39、K40和K41三种,其中K40具有放射性。

欧洲核子研究中心(CERN)研究者Marco Gersabeck写到:“这意味着香蕉(含有钾)每75分钟放出一个正电子”。但总体上,我们周遭的世界中正物质远比反物质多。

CERN最近完成的一项实验可能解答了这个科学界的大难题。

实验发现,含有一个夸克和反夸克的介子可以同时发生正反介子之间的转换,但是反夸克变成夸克的几率比夸克变成反夸克的几率大得多,也就是物理界所称的“CP破坏”(CP violation),或CP不守恒。随着时间的流逝,宇宙中积累了越来越多的正物质。

目前所知夸克有六个味态,包括上(up)、下(down)、顶(top)、底(bottom)、粲(charm)和奇(strange)。在此之前,科学家仅观察到同是负电荷的奇夸克和底夸克的不对称转换。理论认为,粲夸克是唯一会出现不对称转换的正电荷夸克,但一直没有观测到。

这次的新实验中,研究者们从由粲夸克构成的D介子粒子中也观察到了这种不对称转换。他们分析了大型强子对撞机(LHC)在2011~2018年七年间的实验记录,检查D介子和反D介子的衰变过程,证实了其不对称性。

研究者们认为,D介子发生不对称性转换的机制和奇夸克和底夸克的机制不同,但这将意味着观测到其它类型正反物质不对称性的可能性。

CERN研究和计算中心主任Eckhard Elsen说:“这个结果是粒子物理上的一个里程碑。40多年前D介子刚被发现的时候,粒子物理学者们就怀疑它存在CP破坏,但直到现在,利用全套实验数据,LHC合作组才终于观察到这个结果。”

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