最新研究或可破解正反物质不对称谜团

2010-12-02 09:32 来源: 中国科学院
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  自1932年人类发现了反物质以来,科学界一直有一个无法释怀的谜团——“重子不对称性”。为何在宇宙中,重子的数量比反重子多?或者说,为何粒子会多于反粒子?

  据美国物理学家组织网11月29日报道,包括英属哥伦比亚大学科学家在内的研究团队在理论上结合了暗物质和原子,居然利用它们的状态给出了一个统一标准的解释,而该理论将可对这个数十年的“疑案”——“重子不对称性”进行解疑释惑。

  物理学最大的谜团

  质子与中子被统称为核子,有很多种比核子重的粒子,它们与核子也属同一类,这类粒子于是被改称为重子。

  我们周围的宏观物质主要由重子数为正的质子和中子所组成,反质子和反中子也能结合成带负电的反原子核,由反粒子组成的物质相应地叫反物质。

  “重子不对称性”的要点是讨论在宇宙中,缘何重子的数量比反重子多?或者说,为何粒子会多于反粒子?

  该问题之所以被称为“物理学最大谜团”的关键性在于,依据大爆炸理论,在宇宙诞生初期,介质的温度非常高,粒子间的热碰撞会成对地产生任何基本粒子。这一状态中,重子和反重子的数目是否严格相等,这不是由物理规律决定,而是由最初条件决定的。理论学家认为,正反粒子在此时应当等量。但事实上,今天宇宙中光子的数目最多,重子的数目是它的十万万分之一左右,反重子的数目很可能还要低许多量级。

  另一方面,粒子会和反粒子湮灭产生出光子(电磁波),宇宙也因此应该是完全由电磁波构成,不会有任何的物质,更不会有现在粒子的宇宙。那它究竟是经历了怎样的过渡才成为今日以正物质为主的状态呢?科学家必须要寻找一个合理的物理机制来解释它。

  暗物质拥有的负重子

  人类研究初涉宇宙暗物质大约是80年前,现如今仍不能说了解,但这次暗物质却暂且先将自身的“神秘气质”放下,联合常规原子“携手破案”,试图给人类一个关于反物质之谜的交代。

  一个包括英属哥伦比亚大学、加拿大粒子物理国家实验室、美国布鲁克海文国家实验室等等机构在内的科学团队,给出了关于物质形成的“方案”。

  据该项目研究人员克里斯·希古尔森解释,他们的“宇宙协调预言”认为:在宇宙中,可见原子中的正重子(positive baryon)数量,与暗物质拥有的负重子(negative baryon)数量是正好相当且达成平衡的,这就将暗物质与原子的结构联系起来。

  而在暗物质与可见物质的重子平衡被“修复”了的情况下,我们见到的宇宙就呈现由原子构成的状态,且这些原子每一个都携带着一个为正的重子,而原子核内皆为带正电荷的质子和不带电荷的中子,电荷正好等同于核内质子与中子电荷的全部总数。

  此前,通过威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星对宇宙微波背景辐射的探测,已知原子占宇宙密度的4.6%,暗物质则是23%。正是原子的5倍。研究人员新给出的“宇宙协调”预言或将解释为何这个密度差异会恰好是5倍。

  而在此项研究中,科学家同时衍生出了全新方法来检测暗物质——众所周知反粒子会与正粒子相遇而湮灭,现在暗物质中的反粒子很可能做出同样的事来。尽管其发生频率可能极低,但也催生出了全新的探测方法。

  研究人员将该论文刊登在了最新一期出版的《物理评论快报》杂志上。