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恒星、行星以及你我都可以很容易地由反物质构成，但事实并非如此。在宇宙早期，发生了一些事情，使得物质占据上风，留下了一个由原子构成的世界，而曾经同样丰富的反物质如今却很少见。2月11日发表在《物理评论快报》上的一项新理论认为，最近发现的希格斯玻色子粒子可能是造成这种情况的原因——更确切地说，是与该粒子相关的希格斯场。
人们认为希格斯场遍布整个空间，并赋予穿过它的粒子质量，类似于液体染料给浸泡其中的复活节彩蛋上色的方式。如果希格斯场在早期宇宙中以非常高的值开始，并随着时间的推移而降低到目前的较低值，那么它可能在短时间内区分了粒子与其反粒子的质量——这是一个异常现象，因为今天的反物质的特点是具有与物质对应的相同质量但相反的电荷。反过来，这种质量差异可能使得物质粒子在宇宙早期比反物质更容易形成，从而产生了我们今天看到的物质过剩。“这是一个值得进一步研究的好想法，”赫尔辛基大学的物理学家卡里·恩奎斯特说道，他没有参与这项新研究，但也研究过希格斯场随时间推移而降低的可能性。“希格斯场在暴胀后具有很高的初始值的可能性非常高。”
宇宙的暴胀
暴胀是宇宙早期的一个理论阶段，在这个阶段中，时空迅速膨胀。“暴胀具有一个非常特殊的性质；它允许场跳来跳去，”加州大学洛杉矶分校的研究负责人亚历山大·库森科说道。在暴胀期间，宇宙在不到一秒的时间内发生了根本性的改变，希格斯场可能由于量子涨落而从一个值跳到另一个值，并且在暴胀结束时可能停留在非常高的值上。从那里，它会稳定到较低的“平衡”值，但当它改变时，其不断变化的值可能会赋予物质粒子与其反物质对应物不同的质量。因为较轻的粒子形成所需的能量较少，所以它们更容易出现。因此，如果物质较轻，它可能会迅速变得更加丰富。
希格斯场在暴胀期间如此容易跳跃的原因是，与该场相关的粒子希格斯玻色子的测量质量相对较低。该玻色子于 2012 年在瑞士的大型强子对撞机 (LHC) 内出现，其质量约为 126 GeV（吉电子伏特），大约是质子质量的 118 倍。
根据各种理论，这比它可能的值要轻一些。将希格斯场想象成两个悬崖之间的山谷。场的值类似于山谷的高度，而玻色子的质量决定了悬崖壁的坡度。“如果你有一个非常弯曲的山谷，那么你可能有非常陡峭的坡面，”库森科说。“这就是我们发现的。这个值告诉我们，墙壁不是很陡峭——这意味着希格斯场可以跳来跳去，并远远地到达其他高度更高的山谷。”恩奎斯特同意希格斯场很可能一开始就比现在高得多。他说，这是否导致物质从反物质中分离出来“更具推测性”。
一种新的粒子
这种分裂将取决于一种迄今为止尚未被探测到的理论粒子的存在：所谓的重马约拉纳中微子。中微子是基本粒子，有三种类型（电子、μ子和 tau）。然而，可能还存在第四种中微子，预计它会比其他中微子重得多，因此更难以探测（因为粒子越重，对撞机必须产生的能量就越多才能产生它）。这种粒子具有奇怪的优点，即它是其自身的反物质伙伴。马约拉纳中微子不是物质和反物质版本，而是物质和反物质马约拉纳中微子是相同的。
这种双重性质将使中微子成为一座桥梁，使物质粒子在早期宇宙中能够跨越到反物质粒子，反之亦然。量子定律允许粒子在短暂的时间内转化为其他粒子。通常，它们被禁止在物质和反物质之间转换。但如果一个反物质粒子，例如一个反电子中微子，变成了一个马约拉纳中微子，它就会不知道它是物质还是反物质，并且可以像变回原来的反电子中微子一样容易地转化为一个普通的电子中微子。如果由于变化的希格斯场，中微子在当时碰巧比反中微子轻，那么中微子就会成为更有可能的结果——可能会使物质在反物质中占据优势。
“如果这是真的，这将解决粒子物理学中的一个大谜团，”伊利诺伊州费米国家加速器实验室的物理学家唐·林肯说，他没有参与这项研究。然而，马约拉纳中微子“完全是推测性的，并且一直没有被发现，尽管大型强子对撞机实验有一个积极的研究计划正在寻找它。研究人员肯定会牢记这个想法，因为他们会深入研究大型强子对撞机今年初夏开始产生的新数据。”
库森科和他的同事们也希望找到更多支持他们理论的证据。他们设想的希格斯场过程可能产生了具有特定性质的磁场，这些磁场今天仍然存在于宇宙中——如果是这样，它们可能是可以检测到的。如果发现这些场，则可以证明希格斯场确实在很久以前就降低了值。科学家们正在尝试计算出磁场特性会是什么样子，以及实验是否有合理的希望看到它们，但这种可能性引发了令人兴奋的希望，即他们的理论可能会产生可检验的后果——并且可能有机会最终解决反物质之谜。