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歐洲核子研究中心的新研究揭示了物質反物質的奧秘

知識經驗


歐洲核子研究中心的新研究揭示了物質反物質的奧秘

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我們為什么存在？這可以說是最深刻的問題，或者說看起來完全超出了粒子物理的范疇 。但是我們在歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的新實驗使我們更接近理解它 。
為了理解為什么，讓我們回到大約138億年前的大爆炸 。這個事件產生了等量的物質和反物質 。人們認為，每一個粒子都有一個反物質伴侶，它與自身幾乎相同，但電荷相反 。當一個粒子遇到它的反粒子時，它們會相互湮滅——在一束光中消失 。
為什么我們今天看到的宇宙完全是由物質組成的，這是現代物理學最大的謎團之一 。如果有相同數量的反物質，宇宙中的一切都會被毀滅 。我們的研究揭示了物質和反物質不對稱的一個新來源 。
反物質最早由阿瑟舒斯特在1896年提出假設，由保羅狄拉克在1928年提供，并由卡爾安德森在1932年以反電子的形式發現，這種形式被稱為正電子 。正電子出現在自然的放射性過程中，例如鉀-40的衰變 。這意味著你的普通香蕉(含鉀)每75分鐘就會發出正電子 。然后它們通過電子湮滅物質產生光 。PET掃描儀等醫療應用在同樣的過程中產生反物質 。
構成原子的物質的基本組成部分是稱為夸克和輕子的基本粒子 ?？淇擞辛N：上夸克、下夸克、奇異夸克、迷人夸克、底夸克和頂夸克 。同樣，有六個輕子：電子、子、和三個中微子 。這十二種粒子也有反物質副本，它們的電荷不同 。
原則上，反物質粒子應該是它們正常同伴的完美鏡像 。但實驗表明 ， 情況并非總是如此 。例如，一種叫做介子的粒子由一個夸克和一個反夸克組成 。中子有一個迷人的特征：它們可以自發地變成它們的反粒子，反之亦然 。在這個過程中 ， 夸克變成反夸克或反夸克變成夸克 。但是實驗表明，這可能發生在一個方向，而不是相反的方向——隨著時間的推移，產生的物質比反物質多 。
第三次是魅惑 。
在含有夸克的粒子中，只有包括奇異夸克和底夸克在內的粒子被發現具有這種不對稱性——這些都是非常重要的發現 。1964年觀察到涉及奇怪粒子的不對稱性 ， 導致理論家預測了六個夸克的存在——此時只有三個被稱為存在 。2001年，人們發現底部粒子的不對稱性最終證實了導致六夸克圖像的機制 。這兩項發現都獲得了諾貝爾獎 。
奇怪的底部夸克帶負電 。理論上，唯一帶正電的夸克應該能夠形成能顯示物質-反物質不對稱的粒子，這是有吸引力的 。理論表明，如果是這種情況，影響應該很小 ， 難以察覺 。
然而，LHCb實驗首次成功地觀察到了一種叫做D介子的粒子中的這種不對稱性——它是由吸引的夸克組成的 。這是由我在十年前發起的LHC碰撞中直接產生的前所未有的吸引粒子實現的 。結果表明，這種統計波動的概率約為50億 。
如果這種不對稱不是來自導致奇怪的和底部夸克不對稱的相同機制，它就為反物質不對稱留下了空間，反物質不對稱是一種新的物質來源，這可能會增加早期宇宙中的這種不對稱 。這很重要，因為一些已知的不對稱性不能解釋為什么宇宙包含這么多物質 。僅靠魅力發現不足以填補這一空白，但理解基本粒子的相互作用是一個重要問題 。
下一步
這個發現之后，會有更多的理論著作 ， 有助于解釋結果 。但更重要的是 ， 它將概述進一步的測試，以加深我們發現后的理解——許多這樣的測試已經在進行中 。
在未來十年，升級后的LHCb實驗將提高這些測量的靈敏度 。這將得到剛剛開始運行的日本BelleII實驗的補充 。這些都是研究物質-反物質不對稱的令人興奮的前景 。
反物質也是很多其他實驗的核心 。歐洲核子研究中心的反質子減速器正在生產整個反原子，為許多實驗提供高精度測量 。在AMS-2實驗中 ， 我們登上了國際空間站 ， 尋找宇宙起源的反物質 。目前和未來的一些實驗將解決中微子之間反物質不對稱的問題 。
【歐洲核子研究中心的新研究揭示了物質反物質的奧秘】雖然我們仍然不能完全解開宇宙物質的奧秘——反物質不對稱，但我們的最新發現開啟了一個精確測量時代的大門，這可能會揭示未知的現象 。我有理由樂觀地認為，有一天物理學會解釋我們為什么會在這里 。