 邮箱登录 |
 |
 |
| 您现在的位置： 首页 > 科学传播 > 科普动态 |
| 国际视点：自然界正反物质不平衡之谜有新解释 | ||||||||||
|
||||||||||
| 本报记者 张梦然 粒子都有相应的反粒子，作为物质世界的镜像，由反粒子组成的世界就是反物质世界。理论学派认为在大爆炸之后，宇宙中正反物质应当等量，到底是什么机制促使自然界变成现在以正物质为主的状态，换言之，当时那些反物质隐匿到了哪里？这是科学家一直欲知晓的答案。 近日，一个国际性研究小组首次基于对称性理论提出假说，认为一种基本的失衡现象普遍存在于亚原子世界中，并得到一种新的统计法，应用此方法，科学家展示了随机矩阵如何用于估测自然界中CP破坏的部分性质。美国《每日科学》网站及时报道了该消息，参与研究的人员指出，这项理论上的成果，提供了一个新线索让人们得以解释宇宙中物质与反物质不平衡的原因，进而能够指导今后粒子加速器的实验进展。 在这个最根本的物理机制问题上，科学家已探索了半个多世纪。 脚步之一：反物质的发现 1932年发现的带正电电子震惊了学界，但当时在自然界获取反粒子途径比较稀少，且早期粒子加速器的能量又不足以产生它们，因此之后反粒子的研究步伐停顿了下来，直到20多年后才迎来了其美妙的爆发：1955年发现了反质子；次年又发现了反中子。至此组成物质的三种最重要粒子的反粒子都被发现了。此后，其他基本粒子的反粒子发现对物理学家们来说已毫无悬念。 1995年，欧洲核子物理研究中心曾制造出数颗反氢原子，成为世界上第一批反物质样本。就在2008年11月，美国三大核武器实验室之一的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，利用短脉冲、高强度激光照射1毫米大小的黄金，产生了数十亿的反物质粒子样本。 在宇宙线及天然放射源中，反粒子的发现亦开始增多。理论与证据都显示，初期宇宙介质的温度非常高，粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子，正反物质在此时应当等量，经过逐步过渡才成为今日以正物质为主的状态，那么寻找一个物理机理来解释这一现象就十分有价值。 脚步之二：CP对称性的破坏 谜题的解开需要依靠对称性理论。在微观世界里，基本粒子有三个基本的对称方式：一个是粒子和反粒子互相对称，即对于粒子和反粒子定律是相同的，如电子与正子互换、质子与反质子互换，这被称为电荷(C)对称；一个是空间反射对称，即同一种粒子之间互为镜像，它们的运动规律是相同的，像把x、y、z三个坐标轴倒置，这叫宇称(P)；一个是时间反演对称，即颠倒粒子的运动方向，粒子的运动是相同的，如果用摄像机拍下一对光子碰撞产生正负电子然后播放，观看者将不能判断录像带是在正向还是逆向播放，因为正负电子相遇同样也产生一对光子，时间在其中似乎没了方向，这被称为时间(T)对称。 科学家最初认为，物理定律在这三个变换时都是守恒的，异议则被视作“不可能”，但到最后粒子世界的物理规律的对称性全部破碎了。1956年杨振宁与李政道共同提出“弱相互作用中P不守恒”，并因此获得1957年的诺贝尔物理学奖；1964年在美国布鲁克海文国家实验室中，发现弱相互作用中有两起破坏CP守恒(CP破坏)的事例，CP破坏，即本次研究中所指的“一种失衡现象”。直到科学家们发现，微观世界中反K介子转变为K介子要比其逆转过程速率快，时间本身也不再具有了对称性。 脚步之三：宇宙源于不对称 CP对称性的破坏，到底对于宇宙有什么样的意义？ 科学家们曾以一个简单例子来说明。宇宙中存在一种叫做中微子的粒子，其以光速运动且具有自旋。这个自旋永远是左手旋，即当我们以左手大拇指代表它的运动方向，其余四指弯曲的方向就是它自旋的方向。反中微子作为它的反粒子，自旋永远是右手旋的，而当我们对镜子来看，镜子里的中微子会变成右手旋，反中微子则变成左手旋，就与事实不符，而这正是宇宙中对称性破坏的证明。 藉CP破坏的证明，当时的物理学家认为，若要有可能使最初物质和反物质完全平衡的状态到失去平衡，那么在质子不稳定的前提下，有些相互作用必须要破坏C守恒与CP守恒，因为任何可以造成物质多于反物质的物理过程都会伴随一个与它同样可能的、造成反物质多于物质的过程，这样两类过程的效果将会相互抵消。另外，宇宙还需经过一个极快的膨胀期，即热平衡也要破坏，否则任何可造成物质多于反物质的物理过程也将与处在热平衡的逆过程相互抵消。 下个脚步：等待新天地 在宇宙最初的状态中，粒子的数目并不是由物理规律决定，而是由初始条件决定的，但初始条件无法解释现今宇宙中正反物质不对称性的问题，具体的物理过程却可以。CP破坏即是理解这一过程的关键，同时也担负着区分物质与反物质的任务。包括英国剑桥大学、德克萨斯A&M大学科学家在内的研究小组，此次提出的假说及新产生的结果，与夸克实验的观测数据呈现令人惊讶的一致性。参与研究的人员表示，相关理论可用于判断在自然界是否有可能有超过三类夸克粒子的存在，甚至预测中微子这种奇异的粒子。关于中微子的质量、种类、神秘的振荡现象，以及其在物质与反物质不对称中所起的作用，仍有待发掘。 理论上的微小突破对于实验的影响往往要深远得多，与粒子加速器相关的实验可能要新添一项考虑的内容。至于近在眼前的应用，则是指导欧洲核子物理研究中心的大型强子对撞机(LHC)，看它如何“撞”出一片“不可能”的新天地。而粒子世界正适用于福尔摩斯的一句名言：当你排除了其他所有的可能，剩下的无论看起来多么不可能，一定就是真理。 文章出处：科技日报 |
||||||||||
