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正反物質(zhì)之間這種不平衡是何時(shí)以及如何出現(xiàn)的?
來(lái)源:科技日?qǐng)?bào) 2020-02-06 16:34:27

圖源:網(wǎng)絡(luò)(cosmosup.com)

宇宙發(fā)生的一個(gè)相變導(dǎo)致物質(zhì)和反物質(zhì)數(shù)量出現(xiàn)微小失衡,使某些物質(zhì)在湮滅中幸存下來(lái),這一相變很可能導(dǎo)致宇宙弦產(chǎn)生,而宇宙弦會(huì)產(chǎn)生引力波,因此,探測(cè)到這種引力波或許可以解釋我們?yōu)槭裁创嬖凇?/p>

圖源:物理學(xué)家組織網(wǎng)

今日視點(diǎn)

現(xiàn)有的宇宙大爆炸理論認(rèn)為,我們身處的宇宙源于138億年前的一次大爆炸,但這一理論也認(rèn)為,大爆炸時(shí)產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì),而正反物質(zhì)相遇時(shí)會(huì)彼此湮滅,使一切煙消云散。

但宇宙間的萬(wàn)事萬(wàn)物又的確存在,這中間發(fā)生了什么曲折離奇的故事呢?美國(guó)、日本和加拿大科學(xué)家近日提出的一項(xiàng)新理論認(rèn)為,早期宇宙發(fā)生的相變使中微子衰變成更多粒子(數(shù)量比反粒子多),致使正反物質(zhì)的數(shù)量出現(xiàn)偏差。這一相變也會(huì)產(chǎn)生“宇宙弦”,而宇宙弦會(huì)產(chǎn)生引力波,探測(cè)到這些引力波,或可揭示正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)之謎。

對(duì)此,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文系教授蔡一夫?qū)萍既請(qǐng)?bào)記者說(shuō):“即便觀測(cè)到宇宙弦產(chǎn)生的引力波,可能還需很多條件才能進(jìn)一步證實(shí)上述觀點(diǎn)。不過(guò),這提供了一種解決正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)之謎的新思路。”

中微子“挺身而出”

現(xiàn)代宇宙學(xué)大爆炸理論認(rèn)為,大爆炸之初,宇宙中產(chǎn)生了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。如果“劇情”一直這樣發(fā)展下去,那么,物質(zhì)和反物質(zhì)最終會(huì)“狹路相逢”,彼此湮滅。

但實(shí)際上,現(xiàn)在我們身處的宇宙中滿天繁星,充滿了各種物質(zhì),這就與上述理論產(chǎn)生了矛盾。因此,為使宇宙得以存在,必須要有少量反物質(zhì)轉(zhuǎn)化為物質(zhì),使正反物質(zhì)數(shù)量不平衡。科學(xué)家認(rèn)為,物質(zhì)的數(shù)量只需比反物質(zhì)多十億分之一就可以讓宇宙存在。

但正反物質(zhì)之間這種不平衡是何時(shí)以及如何出現(xiàn)的?目前仍是未解之謎,這也是宇宙間最大的謎團(tuán)之一。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校博士后研究員杰夫·德羅說(shuō):“這個(gè)問(wèn)題很難回答。”

鑒于物質(zhì)和反物質(zhì)電荷相反,因此除非它們呈電中性,否則它們不會(huì)相互轉(zhuǎn)化。中微子是我們迄今已知唯一呈電中性的物質(zhì)粒子,科學(xué)家對(duì)它寄予厚望,認(rèn)為它是完成這一神圣使命的“不二人選”。

目前已知存在3種中微子:電子中微子、繆子中微子和陶子中微子。但有科學(xué)家提出,可能存在第四種中微子:惰性中微子。

還有些科學(xué)家認(rèn)為,宇宙暴脹后經(jīng)歷了一個(gè)相變,使早期宇宙中產(chǎn)生的惰性中微子衰變出更多粒子(數(shù)量比反粒子多),讓物質(zhì)和反物質(zhì)的數(shù)量得以“重新洗牌”。

最新研究合作者、加拿大粒子物理與原子核物理實(shí)驗(yàn)室(TRIUMF)博士后格雷厄姆·懷特表示:“當(dāng)宇宙的溫度為今天宇宙中最熱地方溫度的1012倍—1024倍時(shí),中微子的‘行為舉止’或許可以確保宇宙存在。”

引力波“曲線救國(guó)”

那么,如何探測(cè)到這些惰性中微子呢?

研究人員表示,現(xiàn)在科學(xué)家無(wú)法直接觀測(cè)到惰性中微子,因?yàn)橥ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)制造出惰性中微子,需要一個(gè)比大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)強(qiáng)大許多的粒子加速器,所以只能通過(guò)間接方法,探測(cè)宇宙弦產(chǎn)生的引力波或是一種“曲線救國(guó)”之法。

論文合著者、日本東京大學(xué)卡夫里宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所首席研究員村山瞳說(shuō):“早期宇宙的這次相變可能創(chuàng)造出了宇宙弦,這些宇宙弦實(shí)質(zhì)上是時(shí)空的拓?fù)淙毕荨?rdquo;

蔡一夫?qū)萍既請(qǐng)?bào)記者解釋說(shuō):“相變?cè)谖覀內(nèi)粘I钪斜缺冉允牵缢畠龀杀?、鐵磁體變成順磁體等。我們的宇宙所經(jīng)歷的歷史就是一個(gè)不斷發(fā)生相變的熱膨脹歷史,在這個(gè)過(guò)程中有基本粒子的產(chǎn)生,基本粒子凝合成元素,元素最后結(jié)合出我們見(jiàn)到的熟悉的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。”

蔡一夫進(jìn)一步指出:“相變過(guò)程伴隨著能量釋放,宇宙弦就是宇宙經(jīng)歷相變時(shí)釋放能量形成的一根根與當(dāng)時(shí)的宇宙尺度相當(dāng)?shù)睦K子一樣的能量結(jié)構(gòu)。”

德羅和村山瞳等人認(rèn)為,隨著這些宇宙弦不斷演化,會(huì)產(chǎn)生引力波,且產(chǎn)生引力波的頻譜與黑洞并和等天體物理源產(chǎn)生引力波的頻譜截然不同。未來(lái)的引力波觀測(cè)臺(tái),例如即將于2020年中期啟用的“平方公里陣列”(SKA)、擬于2034年發(fā)射的歐洲航天局的“空間天線激光干涉儀”(LISA)、日本宇宙探索局的分赫茲干涉引力波天文臺(tái)(DECIGO)等,或許可以探測(cè)到這些引力波。

研究人員表示,找到這些宇宙弦產(chǎn)生的引力波還有其他用途,例如找到宇宙弦產(chǎn)生的高能中微子,更精確確定已知中微子的質(zhì)量等。

對(duì)此,蔡一夫認(rèn)為:“宇宙弦產(chǎn)生引力波并不意外,只是我們還沒(méi)有幸運(yùn)地發(fā)現(xiàn)其‘倩影’。而且,即便我們探測(cè)到宇宙弦,宇宙弦的產(chǎn)生機(jī)制也并非唯一,還需要確認(rèn)背后的相變過(guò)程才能證實(shí)上述觀點(diǎn)。”

另外,蔡一夫強(qiáng)調(diào)說(shuō):“宇宙弦如果帶電的話,可以利用多信使天文檢測(cè)手段,如快速射電暴的觀測(cè)來(lái)檢驗(yàn)這些超導(dǎo)的宇宙線,從而更立體、更清晰地分辨宇宙相變的‘蛛絲馬跡’。”劉 霞

關(guān)鍵詞: 正反物質(zhì) 不平衡
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