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宇宙的反物质都去哪儿了?科学家们正在逐步揭开这个谜团

来自T2K实验的新粒子加速器数据可能最终会告诉我们所有的反物质去了哪里。

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T2K中的“K”代表日本的Kamioka,那里坐落着Super-Kamiokande探测器,它深埋在地下。该探测器使用这个巨大的、装满水的圆柱体来探测从180英里外的Tokai(项目名称中的“T”)发射过来的中微子。最近的数据显示了中微子和反中微子在传播过程中是如何从一种类型转变为另一种类型的——而且转换速率不同。图片来源:Kamioka Observatory/CIR

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这篇文章出现在2021年6月的《Discover》杂志上,标题为“The Search Goes On”。成为《Discover》杂志的订阅者,以支持我们的科学报道。

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1996年,《Discover》报道了一项新的实验,该实验将探测遥远的宇宙中反物质的迹象。理论上,这些粒子在行为上与我们所知的粒子相同,但具有相反的电荷,以及其他一些区别。

物理学家关于大爆炸的理论认为,在大爆炸期间,物质和反物质应该被创造出相等的数量。但我们生活在一个充满物质的宇宙中,几乎看不到反物质。

对此有不同的解释,包括所有的反物质可能太远而无法看到。搜寻遥远的“反恒星”和“反星系”是我们1996年4月文章“反物质任务”的重点,该文章记录了一个名为Alpha磁谱仪(AMS)的实验的诞生。该实验旨在测量宇宙射线,以确定其中是否有来自反物质的。

AMS自2011年以来一直在国际空间站运行,但尚未发现大量反星系等证据。这可能是因为我们的宇宙很大程度上是反物质的,这引发了另一个问题:它都去哪儿了?

科学家们长期以来一直认为,物质和反物质在行为上存在微小的差异,这可能导致物质在大爆炸后的瞬间占了上风。但找到这些不对称性一直很困难。现在,日本T2K实验的物理学家们公布的数据使我们更接近答案。

Alpha磁谱仪自2011年以来一直在国际空间站收集数据,但尚未发现反物质的证据。(图片来源:JSC/NASA)

JSC/NASA

T2K科学家们正在追踪中微子的一种奇特特性。中微子是难以探测的粒子,很少与物质发生相互作用。中微子在传播过程中会改变类型或“味”,例如,muon中微子可能会变成电子中微子。

T2K实验一直在观察普通中微子和反中微子在不同“味”之间振荡的情况,他们注意到它们行为上存在细微的差异。

加拿大约克大学的粒子物理学家、最近一篇关于T2K数据的《Nature》论文的合著者Mark Hartz表示,muon中微子转变为电子中微子的速率高于muon反中微子转变为电子反中微子的速率。这些数据提供了进一步的证据,表明正常物质和反物质之间可能存在一些微小的不对称性,或许足以解释为什么今天的宇宙几乎完全由物质构成。

但诺贝尔奖得主、AMS实验首席研究员Samuel Ting表示,我们需要更多的数据才能真正地说反物质并不存在于某个地方。

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他表示:“这个中微子实验只说明‘从地球上看,我们在宇宙空间中观察到更多的物质而不是反物质。’它并没有说‘反物质消失了。’”

Ting的观点可能并不代表大多数科学家的意见,但这位物理学家毫不畏惧:“如果你不去看,你就永远不会知道。”

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