研究人员发现,所有能探测到的粒子中,都有相应的反粒子,也就是具有相同性质、电荷相反的粒子。这两种物质被科学家们分别称为正物质和反物质。也认为正物质与反物质相遇时会发生“湮灭”,消失成为一种能量。
但是,根据宇宙大爆炸的理论,大爆炸会产生等值的正物质和反物质。然后两者的遭遇都会湮灭。但是,现在我们所看到的宇宙,却很难找到反物质的踪影,科学家们目前仅在一些放射性衰变过程和宇宙射线中找到了一些。那个反物质跑到哪里去了?大爆炸之后呢?它已经成为物理学中最大的难题之一。
近来,拥有世界上最大粒子加速器的欧洲核子研究组织(CERN)通过对正物质和反物质的研究,找到了一些可以解释这个问题的新线索。
对于这一问题,科学家们给出了一个大概的解释,即大爆炸之后,在那种高温高密度的状态下,一定存在某种变化过程,这种变化过程更容易产生正物质,导致正物质相对于反物质有少量剩余。当宇宙变冷时,所有的反物质和等量的正物质都会湮没毁灭,最后剩余的部分正物质就会产生现在我们所看到的宇宙。
究竟是什么过程导致了正物质的过剩,这一点目前还不清楚,也是物理学家们近几十年来不断探索的问题。
这一新的研究结果如何?这个必须从正反粒子的振荡,正反粒子的衰变差别开始。
正粒子振动过程衰减的差值
目前科学家所跟踪的构成物质中最基本的粒子就是夸克。科学首先研究了正物质与反物质之间的区别。有六种味态,即上(up)、下(down)、顶(top)、底(bottom)、粲(charm)和奇(strange),每一种味态的夸克都与反夸克相对应。
一般物质核中的质子和中子由上下夸克组成,而其他夸克则是通过高能物理过程产生的,如欧洲核研究组织的 LHC。
研究人员称由单个夸克和反夸克构成的粒子为介子,并发现了四种特殊类型的中性介子(B0S,B0,D0,K0)。科学家首次观察到,在1960年,这些介子可以自发地转变成自己的反粒子,然后再转变回正、反粒子之间来回振动。
因为他们是不稳定的,所以在振动过程的某一阶段他们就会衰变成更稳定的粒子,而正、反介子衰变过程则有细微的差别。Kabibo-Kabayashi-Maskawa (CKM)矩阵是描述振荡与衰变规律的框架理论。
这一理论认为,由于振动过程中正反粒子衰变的不同,正物质会略微增多,但这一差异并不足以解释今天宇宙中正物质的富余。
因此,科学家们仍然在寻找那些尚不清楚的基本物理过程,来解释这个谜。
什么是新发现?
大型强子对撞机(LHCb)欧洲核研究组织研究了B0S介子衰变成双 K介子的过程。由各种质子碰撞产生的B0S介子,每秒可在自身和反粒子之间来回振动3万亿次。
除了产生B0S介子外,不同质子碰撞还会产生B0S介子的反粒子,并经历相似的振荡。研究者通过这种方法对比了正、反介子的性质。
研究表明其中一个介子的衰变速率略高。这是首次观测到正、负B0S介子的衰变,并且在振动过程中出现了不对称现象。
该研究称,这一发现是关于正反物质差异的研究中的一个里程碑,他们测量出了不对称的幅度。这些数据有助于对该理论的多种参数进行完善。
一位英国格拉斯哥大学(University of Glasgow)粒子物理学教授说,从多种不同的角度研究正反物质不对称的机制,将有助于科学家找到这一难题的根本答案。在最小粒子层面上进行研究,是我们了解整个宇宙的最佳方式。