起初，存在物质和反物质，然后只剩下物质。为什么？这个问题是物理学界最重大的谜团之一。几十年来，理论家们提出了潜在的解决方案，其中大多数都涉及宇宙中已知粒子之外的额外粒子的存在。上周，科学家宣布了引人入胜的发现，这些发现指向了一种可能的解决方案，但数据尚未达到确凿的发现。无论最终答案是什么，解决这个问题可能不仅能告诉我们为什么我们生活在一个由物质组成的宇宙中，还可能揭示宇宙最早时期的秘密，甚至将我们与科学家们难以捉摸的隐形暗物质联系起来。
关于物质如何在反物质中占据上风的大多数理论可以分为两个主要阵营。其中一个称为电弱重子生成，假设存在希格斯玻色子的额外版本——希格斯玻色子是与万物如何获得质量相关的粒子。如果这些希格斯玻色子“表亲”存在，它们可能有助于在宇宙早期引发突发的相变，类似于水从液态变为气态的转变，这可能导致太空中物质略多于反物质。当物质和反物质接触时，它们会相互湮灭，因此早期宇宙中的大部分物质会被摧毁，只留下少量剩余物质来构成我们周围的星系、恒星和行星。
另一个主要的理论称为轻子生成，它源于中微子。这些粒子比夸克轻得多得多，并且空灵地穿过宇宙，很少停下来与任何东西相互作用。根据这种情况，除了我们已知的常规中微子之外，还存在极其重的中微子，它们非常巨大，只能在宇宙大爆炸后不久存在的巨大能量和温度下形成，当时宇宙非常热和稠密。当这些粒子不可避免地分解成更小、更稳定的物质时，人们认为，它们可能产生了略多于反物质副产品的物质，从而导致了我们今天看到的这种排列。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅以支持我们屡获殊荣的新闻事业。 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续报道关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
一举两得的谜团
最近由日本T2K（东海到神冈）实验的科学家宣布的公告，为轻子生成概念提供了有希望的迹象。该实验观察中微子在地下300公里处传播并在三种类型或“味”之间变化的情况——中微子的一种特殊能力，称为振荡。T2K研究人员检测到中微子中的振荡比反中微子中的振荡更多，这表明两者不仅仅充当彼此的镜像，实际上行为有所不同。粒子与其反物质对应物之间的这种差异称为CP破坏，它是理解宇宙诞生后物质如何超过反物质的关键线索。“我们还不称之为发现，”石溪大学的T2K团队成员Chang Kee Jung说。该实验现在以95%的置信度排除了中微子CP破坏为零的可能性，并且显示出粒子可能表现出最大可能CP破坏量的迹象。然而，还需要更多的数据，可能还需要未来的实验，才能精确测量中微子和反中微子之间的差异程度。
即使物理学家在中微子中取得了CP破坏的明确发现，他们也无法完全解决宇宙反物质问题。加州大学尔湾分校的理论物理学家塞达·伊佩克（Seyda Ipek）表示，这样的发现对于证明轻子生成来说是“必要的但不够充分的”。该理论的另一个要求是，中微子和反中微子最终是同一种东西。这种看似矛盾的可能性是如何实现的？物质和反物质被认为是相同的，只是电荷相反。中微子没有电荷，可能同时是两者。
如果这种情况成立，它也可以解释为什么中微子如此轻——可能不到电子质量的六百万分之一。如果中微子和反中微子是相同的，它们可能不会像大多数粒子那样通过与希格斯场（与希格斯玻色子相关）相互作用来获得质量，而是通过另一种称为跷跷板机制的过程。它们的微小质量将与早期宇宙中产生的重中微子的质量成反比。“当一个向上时，另一个向下，就像跷跷板一样，”伊佩克说。
“轻子生成是一种非常优雅的解释事物的方式，”伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（Fermilab）的理论物理学家杰西卡·特纳（Jessica Turner）说。“首先，你回答了为什么物质比反物质多。其次，你解释了为什么中微子具有如此小的质量。” 中微子是其自身反物质对应物的证据可能来自寻找一种称为无中微子双β衰变的理论反应的实验，这种反应只有在中微子能够像物质和反物质接触时那样湮灭自身时才会发生。然而，即使是这一发现，也无法完全证明轻子生成发生了。“如果你测量了我们能看到的最大可能的CP破坏，并且如果你观察到中微子是它们自己的反粒子，我们会说那是间接证据，而不是直接证据，”特纳说。
连接到暗区
物理学家表示，摆在桌面上的另一个理论选择，电弱重子生成，可能更容易研究。费米实验室理论物理部门负责人玛塞拉·卡雷纳（Marcela Carena）表示，尽管轻子生成中涉及的重中微子的产生很可能超出粒子加速器的能力范围，但该理论预测的额外希格斯玻色子很可能会在大型强子对撞机中出现。即使该机器没有直接制造出它们，这些希格斯玻色子“亲戚”也可能与其产生的传统希格斯玻色子发生微妙但可检测到的相互作用。
电弱重子生成也需要在宇宙中存在额外的CP破坏，但不是专门在中微子中。事实上，CP破坏已经在夸克中被发现，尽管数量很少，不足以解释物质-反物质的不平衡。这个理论中缺失的CP破坏可能隐藏的一个地方是所谓的暗区——被认为构成太空中大部分物质的隐形暗物质的领域。也许暗物质和暗反物质的行为有所不同，而这种差异可以解释我们所知的宇宙。“我的工作方向一直是试图将宇宙中的物质-反物质不平衡与我们知道我们需要一些我们迄今为止尚未看到的东西来解释暗物质的想法联系起来，”卡雷纳说。
电弱重子生成的证据可能不仅来自探测额外的希格斯粒子，还可能来自众多寻找暗物质和暗区的实验。此外，如果宇宙学相变如该理论所假设的那样在大爆炸后不久发生，它可能会产生引力波，而未来的实验可能会发现这些引力波，例如激光干涉仪空间天线（LISA），这是一种计划于2030年代发射的基于空间的引力波探测器。
但最终，宇宙可能会给我们带来惊喜。也许轻子生成和电弱重子生成都没有发生。“这些不是仅有的两个选择——理论领域非常广阔，”伊佩克说。例如，她最近研究了一个涉及质子和中子内部夸克强相互作用中CP破坏的模型，理论家们也在研究许多其他想法。“我认为我们需要让自己探索所有可能性，”特纳说。“自然以其自身的方式展开；我们无法控制它。我们只是尽力去理解它。”
与此同时，至少在中微子中CP破坏的明确测量已在望。即将到来的项目，如深地中微子实验（DUNE）和T2K的后继者超神冈探测器（Hyper-K），应该具有精确计算所需的灵敏度。“T2K的数据看起来尽可能有趣，”芝加哥大学的DUNE联合发言人埃德·布鲁彻（Ed Blucher）说。“这让我非常兴奋，在即将到来的下一代实验中，将会有一些有趣的东西值得研究。”