为什么今天的宇宙是由物质组成的，而不是反物质？

根据国外媒体的报道，为什么今天的宇宙是由物质而不是反物质组成的？中微子研究的新证据为解决这个难题提供了线索。

宇宙开始时既有物质又有反物质，然后只剩下物质了。为什么？这个问题是物理学中最难解开的谜团之一。几十年来，理论物理学家提出了许多可能的理论，其中大部分都涉及到宇宙中某些未知粒子的存在。不久前，科学家宣布了一些非常有吸引力的发现，指出了一种可能的解释理论，但是他们的数据没有给出明确的结果。不管最终的答案是什么，这个问题的解决方案可能会告诉我们更多，比如揭示宇宙最早时期的秘密，甚至将现有的物理学与看不见的暗物质联系起来，而不仅仅是解释为什么宇宙是由物质组成的。

大多数关于物质如何在数量上完全抑制反物质的理论可以分为两个阵营。一种理论是电弱重子的产生机制。该理论假设希格斯玻色子的另一种版本，它与所有物质如何获得质量有关。如果有希格斯玻色子的其他版本，它们可能会在早期宇宙中引发突然的相变，类似于水从液体到气体的转变，导致宇宙中的物质比反物质多一点。当物质和反物质接触时，它们会相互湮灭，所以年轻宇宙中的大部分物质会消失，只留下少量剩余物质在我们周围形成星系、恒星和行星。

另一个占主导地位的理论是基于中微子的“轻子起源”。这些粒子比夸克轻得多，以一种飘渺的方式穿过宇宙，几乎从未停下来与任何东西相互作用。基于这些性质，我们假设除了已知的常规中微子之外，还有非常重的中微子，它们是如此巨大，以至于它们只能由大爆炸后的巨大能量和温度形成，当时宇宙的温度极高且密度极高。该理论认为，当这些粒子不可避免地分裂成更小、更稳定的粒子时，它们产生的物质可能比反物质多一点，从而形成我们今天看到的不对称性。

一个实验，两个谜题

最近，日本T2K实验的科学家宣布了一个消息，为轻子生成理论提供了有希望的证据支持。这个实验观察到中微子在地下300公里的传播过程中会在三种不同的味道之间变化——中微子的这种独特能力被称为振荡。T2K实验中的研究人员发现中微子比反中微子有更多的振荡，这表明两者不仅是彼此的镜像，而且在实际行为上也是不同的。粒子和反物质之间的区别被称为“CP破坏”，被认为是探索宇宙诞生后物质如何超越反物质的重要线索。

目前，该实验已经排除了中微子95%可信无CP损伤的可能性，这也意味着中微子被允许表现出CP损伤的最大可能性。然而，我们仍然需要更多的数据，也许未来还需要更多的实验来精确测量中微子和反中微子之间的差异。

即使物理学家最终发现中微子违反了CP，他们也不能完全解决宇宙中缺少反物质的问题。这些发现对于证明轻子生成理论是“必要的，但还不够”。该理论的另一个要求是中微子和反中微子实际上是同一个粒子。这种明显的矛盾可能吗？物质和反物质有相同的特性，只是它们带相反的电荷，所以不带电荷的中微子可能同时具有这两种特性。

如果这种可能性得到证实，它还可以解释为什么中微子如此轻——不到电子质量的60，000倍。如果中微子和反中微子是相同的，它们可能不会像大多数粒子那样通过与希格斯场(与希格斯玻色子相关)的相互作用获得质量，而是通过另一种叫做跷跷板机制的过程。它们的微小质量与早期宇宙中产生的重中微子的质量成反比，一个上升，一个下降，就像跷跷板一样。

轻子生成理论是一个非常优雅的解释。首先，这回答了为什么物质不仅仅是反物质。其次，这也解释了为什么中微子的质量如此之小。中微子本身就是反物质的证据，可能来自一个叫做“无中微子双β衰变”的理论反应实验，只有当中微子能够像物质和反物质接触时那样湮灭时，才会发生这种现象。然而，即使发现了这种情况，也不能完全证明轻子生成理论。

与暗物质的联系

物理学家说，另一个理论选择——产生弱重子的机制——可能更容易研究。尽管轻子产生过程中产生的重中微子可能超出了粒子加速器的能力，但该理论预测的其他希格斯玻色子可能出现在大型强子对撞机上。即使对撞机不能直接产生希格斯玻色子的其他版本，它们可能与传统的希格斯玻色子有微妙但可检测的相互作用。

电弱重子的形成也需要宇宙中额外的CP破坏，但它不一定与中微子有关。事实上，在夸克中已经发现了CP破坏，尽管这个数量很小，不足以解释物质-反物质的不平衡。这一理论中缺失的阴极保护损伤可能隐藏在所谓的“黑暗部分”——一些理论认为暗物质实际上是构成空间中大部分物质的物质。也许暗物质和黑暗反物质的行为不同，这种不同可以解释我们所知的宇宙。

电弱重子产生机制的证据不仅可以通过探测额外的希格斯粒子获得，还可以通过大量寻找暗物质和“暗区”的实验获得。此外，如果宇宙相变发生在大爆炸后不久，理论上假设，引力波可能会产生。我们也许能在未来的实验中探测到这些引力波，比如激光干涉空间天线(LISA)，一种天基引力波探测器，将于20世纪30年代发射。

然而，宇宙最终可能会超出我们的预期。也许轻子产生和电弱重子产生都没有发生。例如，科学家最近一直在研究一个模型，该模型涉及质子和中子内部夸克之间的强相互作用中的CP破坏，其他理论物理学家也在研究许多不同的理论。

与此同时，中微子CP损伤的最终测量就在眼前。即将开展的项目，如T2K的深层地下中微子实验(DUNE)和后续实验“超级上冈德”(Hyper-Kamiokande，缩写为Hyper-K)，都应具备精确计算所需的灵敏度。T2K实验的数据看起来很有趣。在即将到来的下一代实验中，将会有一些更有趣的东西值得研究，这让科学家们非常兴奋。(任天)