“大爆炸宇宙论”是现代宇宙主流学说中最有影响力的一种,据这种观点所说,宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的,在这场爆炸之后,物质构成了宇宙中的每一个星系、每一颗行星,以及每一个生命,但该学说的背后,有一个至今未能解决的难题。

科学家有了新发现 宇宙成因有望解决?

  按照目前的理论,大爆炸过程创造出等量的物质与反物质,当物质和与之对应的反物质相遇,例如电子与正电子碰撞,将发生湮灭——物质消失而只剩下能量。也就是说宇宙中的所有物质都应该消失,宇宙也随之毁灭。然而,当我们站在这里,就意味着整个过程中一定存在某种漏洞——事实上,在大爆炸发生后,大约十亿分之一的物质依然存活到了今天。

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  为了解开物质-反物质的悖论,物理学家在过去的几年间,做了许多实验,其中中微子实验项目引起了科学家的注意。在多个中微子实验项目中都检测到了疑似轻子电荷共轭-宇称破坏(CP violation)的迹象,这项发现将有望帮助科学家们解释一个重要的本质问题——为何我们的宇宙是由物质组成,而非反物质组成的?到目前为止,物质-反物质不对称性还无法通过现代物理学得到合理的解释,因而也成为当今宇宙学领域最大的未解之谜之一。

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  不过,根据近日发表在《物理评论快报》上的一项最新研究显示,美国弗吉尼亚理工学院的大卫·弗雷罗(David V. Forero)和帕特里克·胡珀(Patrick Huber)提出了一种不同的观点,认为这些实验结果暗示的是一种电荷CP守恒下的“全新物理学”,只是当前的实验技术还无法分辨两者之间的不同。[page]

  这两种可能性——CP破坏或是一种崭新物理学,这一选择的答案将对宇宙学中的一些最重大问题的解决产生重要影响。目前物理学家们面临的一项重要工作便是寻找全新的物理学,更具体的说就是超越标准模型的物理学。科学家们很清楚这一理论是不完善的,但却不知道该如何对其进行改进。全新的物理学将有望对一部分标准模型无法解释的问题给出解释,其中就包括物质-暗物质不对称性问题,以及暗物质、暗能量以及引力的本质。

  正如这两位研究人员在论文中所阐述的那样,要想分辨相关实验中得到的结果究竟暗示CP破坏还是一种全新的物理学将是极具挑战性的。这项研究的主要目标应当是“对两种可能性之间的误差范围进行量化”。物理学家们所开展的模拟和分析工作显示,不管是在CP破坏还是一种全新的物理学的可能性下,其数值分布的峰值都集中在相关中微子实验得到的结果附近,称为“狄拉克CP相”。这种相同的特征使得当前的中微子实验不可能辨别这两种不同可能性之间的区别。帕特里克·胡珀表示:“我们的研究结果显示,要想宣称CP破坏的结果将需要极度谨慎,而引入一种崭新的物理学则会导致严重的混乱。”

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  不过,好消息也有,那就是未来设计的全新中微子实验方案将有可能具备分辨这两种可能性的能力。其中一种方法就是对两种采用稍有不同设计方案的中微子实验得到的结果进行比对。比如设在美国的“深部地下中微子实验”(DUNE)以及位于日本的东海-超级神冈探测器(T2HK)项目。胡珀表示:“基本的设想是,我们在论文中所提及的崭新物理学的相关特性与中微子在不同数量地球物质影响下发生的震荡模式有关。中微子穿透的物质越多,新物理学对其产生的影响应该就越明显。”

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  他说:“对于DUNE项目来说,中微子抵达该探测装置之前需要穿越1300公里厚的地球物质,而对于T2HK而言,中微子的穿越距离大约仅有300公里。因此在这两个项目期间应该会获得不同的狄拉克CP相数值分布,从而对上述问题给出解答。”