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粒子物理里程碑:為何宇宙中正物質比反物質多?

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機。(CERN)

物理學家認為這個宇宙中任何粒子都存在其對應的反粒子,即在完全對等的情況下,電荷相反的粒子。當正反物質相遇時,就會湮滅成一道能量而消逝。

對氫原子和反氫原子的精確研究顯示,兩者各項參數的差別不到十億分之一,只是電荷相反。科學家們還普遍認為,宇宙在約140億年前大爆炸誕生後有著等量的正反物質,但這就牽扯一個長期令人困惑的問題:為什麼我們周圍都是正物質,反物質如此罕見呢?如果總是等量存在,我們的世界恐怕早已不存在了。

自然界中很多東西都有放射性,只是很微弱,對人體不會產生什麼影響。而在放射過程中,自然地會產生反物質,比如鉀-40的衰變。香蕉中含有鉀元素的多種同位素,主要有K39、K40和K41三種,其中K40具有放射性。

歐洲核子研究中心(CERN)研究者Marco Gersabeck寫到:“這意味著香蕉(含有鉀)每75分鐘放出一個正電子”。但總體上,我們周遭的世界中正物質遠比反物質多。

CERN最近完成的一項實驗可能解答了這個科學界的大難題。

實驗發現,含有一個夸克和反夸克的介子可以同時發生正反介子之間的轉換,但是反夸克變成夸克的幾率比夸克變成反夸克的幾率大得多,也就是物理界所稱的“CP破壞”(CP violation),或CP不守恆。隨著時間的流逝,宇宙中積累了越來越多的正物質。

目前所知夸克有六個味態,包括上(up)、下(down)、頂(top)、底(bottom)、粲(charm)和奇(strange)。在此之前,科學家僅觀察到同是負電荷的奇夸克和底夸克的不對稱轉換。理論認為,粲夸克是唯一會出現不對稱轉換的正電荷夸克,但一直沒有觀測到。

這次的新實驗中,研究者們從由粲夸克構成的D介子粒子中也觀察到了這種不對稱轉換。他們分析了大型強子對撞機(LHC)在2011~2018年七年間的實驗記錄,檢查D介子和反D介子的衰變過程,證實了其不對稱性。

研究者們認為,D介子發生不對稱性轉換的機制和奇夸克和底夸克的機制不同,但這將意味著觀測到其它類型正反物質不對稱性的可能性。

CERN研究和計算中心主任Eckhard Elsen說:“這個結果是粒子物理上的一個里程碑。40多年前D介子剛被發現的時候,粒子物理學者們就懷疑它存在CP破壞,但直到現在,利用全套實驗數據,LHC合作組才終於觀察到這個結果。”◇

阿波羅網責任編輯:夏雨荷 來源:大紀元 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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