这是物理学中最大的谜题之一。 构成我们周围物质的所有粒子,例如电子和质子,都具有反物质版本它们几乎相同,但具有镜像特性,例如相反的电荷。 当和物质粒子相遇,它们会在能量闪光中湮灭。
如果反物质和物质确实相同,只是彼此的镜像副本,那么它们在宇宙中的产生量应该是相等的。。 问题是这会让一切都毁灭。 但今天,宇宙中几乎没有反物质了? 它只出现在一些放射性衰变和一小部分宇宙射线中。
那么到底是怎么回事呢? 使用大型强子对撞机实验在欧洲核子研究中心为了研究物质和反物质之间的区别,我们有发现了一种新方法这种差异会出现。
物理学家预言反物质的存在保罗·狄拉克1928 年描述电子运动的方程。起初,人们并不清楚这只是一个数学怪癖还是对真实粒子的描述。
但在 1932 年,卡尔·安德森发现电子的反物质伙伴? 正电子? 研究从太空落在地球上的宇宙射线。 在接下来的几十年里,物理学家发现所有物质粒子都有反物质伙伴。
科学家认为,在大爆炸后不久的非常热和致密的状态下,一定存在物质优先于反物质的过程。 这产生了少量的物质过剩,当宇宙冷却时,所有的反物质都被等量的物质破坏或湮灭,留下了少量的物质过剩。
正是这种盈余构成了我们今天在宇宙中看到的一切。
究竟是什么过程导致了盈余尚不清楚,几十年来物理学家一直在寻找。
已知的不对称性
夸克是物质和轻子的基本组成部分,其行为可以揭示物质和反物质之间的差异。 夸克有很多种,或“风味”,称为上夸克、下夸克、魅夸克、奇异夸克、底夸克和顶夸克加上相应的六个反夸克。
上夸克和下夸克构成了普通物质原子核中的质子和中子,其他夸克可以通过高能过程产生? 例如,通过欧洲核子研究组织大型强子对撞机等加速器中的粒子碰撞。
由夸克和反夸克组成的粒子称为介子,有四种中性介子(B0S,B0,D0和K0)表现出令人着迷的行为。 它们可以自发地变成反粒子伴侣,然后又变回来,这种现象在 1960 年首次被观察到。
既然不稳定,它们就会“腐烂”吗? 散架 ? 在振荡过程中的某个时刻进入其他更稳定的粒子。 这种腐朽介子与反介子的情况略有不同,与振荡相结合意味着衰减率随时间变化。
振荡和衰变的规则由称为“Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) 机制。 它预测物质和反物质的行为存在差异,但差异太小,无法在早期宇宙中产生解释我们今天看到的丰富物质所需的剩余物质。
这表明有些东西我们不理解,研究这个主题可能会挑战我们一些最基本的物理学理论。
新物理学?
我们最近的 LHCb 实验结果是对中性 B 的研究0S介子,观察它们衰变为带电 K 介子对。 乙0S介子是通过质子与其他质子在大型强子对撞机中碰撞而产生的,它们每秒振荡至反介子并返回三万亿次。 碰撞也产生了反B0S以相同方式振荡的介子,为我们提供了可以比较的介子和反介子样本。
我们计算了两个样本的衰变次数,并对这两个数字进行了比较,以了解随着振荡的进行,这种差异如何变化。 有细微的差别吗? B 之一发生更多衰变0S介子。 对于B来说也是第一次0S介子,我们观察到衰变或不对称性的差异根据 B 之间的振荡而变化0S介子和反介子。
大型强子对撞机b。 (马克西米连·布里斯等人/CERN)
除了成为物质与反物质差异研究的里程碑之外,我们还能够测量不对称性的大小。 这可以转化为对基础理论的几个参数的测量。
将结果与其他测量结果进行比较可以提供一致性检查,以了解当前接受的理论是否是对自然的正确描述。 由于我们在微观尺度上观察到的物质相对于反物质的微小偏好无法解释我们在宇宙中观察到的压倒性丰富的物质,因此我们目前的理解很可能是一个更基本理论的近似。
研究我们知道的这种会产生物质-反物质不对称的机制,从不同的角度探究它,可能会告诉我们问题所在。 以最小的尺度研究世界是我们能够理解我们在最大尺度上所看到的事物的最佳机会。