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宇宙万物的诞生,都要感谢这个未解的秘密

时间:2021-06-11 09:51:28 作者:迷迷 来源:51区未解之谜网 手机阅读

物质和反物质的性质存在微小的不同。物理学家正在亚原子层面上寻觅这一现象的原因。

物理学家以为,这是由于正反物质并非完全对称所导致的,但却不能解说正物质的巨大优势。研讨者希望,对介子这种由正反两种夸克组成的粒子的研讨,能找出损坏平衡的额定力量。

咱们所在的世界,物质和反物质显着不平衡,这是当今物理学的一大难题。现在看来,世界中并不存在由反物质组成的行星、恒星或星系,至少咱们没有发现任何相关的痕迹。可是在世界的前期阶段,正反两种物质应该是等量存在的。在那时,高能辐射不断创造出许多粒子反粒子对,两者仅有电荷不同,之后它们又彼此碰撞,一同湮灭。到了今天,在世界现已充分冷却之后,每10亿个辐射粒子只留下了1个物质粒子。这点小小的盈利满足创造出咱们的物质国际,可是,那些反粒子去哪了?

1967年,俄罗斯物理学家安德烈·扎哈罗夫(Andrei Sacharow)提出,物质之所以在数量上占据了优势,原因是物质粒子和反物质粒子之间存在细微差别。两者之间必定存在这样或那样的不同,而不是完全对称——科学家把这种现象称为对称性破缺。

对称性在物理学中起着重要作用。咱们日常都会体验到的一种对称是空间镜像对称:当咱们从镜子里调查世界时,乍看上去镜中国际和本来的国际一模相同。但假如仔细看,咱们会发现,右撇子在镜子里成了左撇子,右旋螺丝变成了左旋螺丝。

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这相同适用于微观世界中的粒子及其彼此作用。构成物质的粒子都具有自旋,即内涵的旋转性质。依据自旋是指向运动方向仍是背离运动方向,科学家把粒子分为“右手征”和“左手征”。左手征粒子的镜像是右手征的,就像右旋螺丝经空间反射变换后成了左旋螺丝相同。

可是,早在20世纪50年代,科学家就发现在放射性β衰变中只会产生左手征粒子或相应的右手征反粒子。经过β衰变产生的中微子乃至满是左手征的,对应的反粒子则总是右手征粒子。由于没有右手征中微子的存在,所以左手征中微子不存在空间镜像。所以物理学家提出,在自然界中,这种名为宇称(P)的镜像对称是破缺的。

除了空间对称以外,还存在与电荷等内涵属性有关的对称。科学家把粒子与反粒子之间的对称叫作电荷镜像对称,或电荷共轭对称。这种对称性在中微子身上也被打破了。现在为止没有调查到左手征反中微子的存在,所以左手征中微子也没有对应的电荷镜像。

那么,或许粒子和反粒子之间的对称并非单纯的电荷共轭对称,而是将空间镜像(P)和电荷镜像(C)组合起来的联合对称?在这个“CP镜子”中,左手征中微子变成了右手征反中微子——正如咱们在自然界中所调查到的那样。物理学家希望,至少在理论上,CP镜子能将物质国际完美转换成适用相同物理定律的反物质版别。若果真如此,咱们所在的国际是带正电的质子、带负电的电子组成的物质国际,仍是由带有相反电荷的反粒子组成的反物质国际,就只是叫法不同罢了了。

夸克和轻子(包括电子和中微子)是物质的根本组成部分,它们都有与之对应的带有相反电荷的反粒子。这些带有分数电荷的夸克在自然界傍边都是彼此结合在一同的。比如每个质子和中子都是由三个上夸克和下夸克组成。这些三个夸克组成的粒子被称为重子。别的,咱们也调查到了夸克和反夸克组合而成的粒子,即所谓的介子。

可是,研讨人员在1964年对中性粒子K介子进行的试验,粉碎了粒子-反粒子完美对称的希望。他们调查到,K介子的衰变行为与其反粒子并不相同。领导该研讨的两位科学家詹姆斯·克罗宁(James Cronin)和瓦尔·菲奇(Val Fitch)凭仗这一发现于1980年获得了诺贝尔奖。

由于这种对称性破缺,粒子国际现在能够清晰地与反粒子国际区别开来。关于咱们国际的演化,这种CP损坏发挥了关键作用,它有或许解说为何物质占据了主导地位。

寻觅对称破缺

这样看来,好像一切都说的通了——但前提是试验室中测出的对称破缺强度足以形成世界中正反物质的不平衡。经过许多的K介子和B介子丈量试验,咱们发现现实并非如此。在微观世界的某个当地,或许还存在其他违反CP对称的全新物理进程和现象。现在,借助高精度试验,科学家现已察觉到了一些蛛丝马迹。

介子是研讨粒子与反粒子不对称性的良好对象,由于介子是由一个夸克和一个反夸克组成的——可算作是物质和反物质的混合体系。此外介子不稳定,会在很短的时间内衰变。其中的一个夸克会改变成新的夸克。原子核产生放射性衰变时,由三个夸克组成的中子也会经历相似的进程。为了描绘这种衰变进程,物理学家借助了所谓的费曼图。这种图表最初是为了更简练直观地标明核算规则而发明的。不同夸克的彼此转化是根本作用力弱彼此作用的标志性效果。在这一进程中,经过带正电或负电、担任传递弱彼此作用的W玻色子,带有2/3正电荷的上夸克、粲夸克和顶夸克能够改变为带有1/3负电荷的下夸克、奇特夸克和底夸克,反之亦然。

夸克经过弱彼此作用转化为另一种夸克,会导致一些杂乱的物理进程。例如,由奇特夸克和反底夸克组成的Bs介子能改变成反粒子,在极短时间内后者又会变回Bs介子。整个体系会在粒子和反粒子之间不断振动。在全国际最大的粒子加速器、欧洲核子研讨中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上,有一个名为LHCb的试验设备在追寻这类特别进程。

风趣的是,在正反粒子的中间态里出现了顶夸克,这种夸克的质量要比原始Bs介子高许多倍。乍眼看去,这好像并不或许——产生它们的能量从何而来?答案来自于量子力学,依据海森堡不确认性原理,在极短的时间内,能量守恒定律能够暂时被打破。这些粒子处于虚拟的过渡态,它们会显着影响振动频率,因而科学家能够经过准确丈量振动频率,来验证过渡态的理论假设是否正确。相同,科学家还能从中寻觅不知道新粒子发挥作用的痕迹,即便那些粒子质量极大。

到现在为止,把差错考虑进去的话,理论核算的成果和丈量值能够说是一致的。不幸的是,即便借助核算机,对振动频率进行实际核算也是困难重重,只能得到近似值。因而,理论核算成果的不确认性现在还远远大于丈量差错。

量子效应不但能导致粒子在正反状态振动,也能打破粒子和反粒子的对称。另一种名为B0的B介子特别合适用来研讨此类现象,由于据许多理论物理学家的猜测,这一类粒子在衰变时更容易遭到对称性破缺的影响。与之前描绘过的粒子反粒子振动相似,咱们能够经过介子的衰变来丈量CP损坏,这种介子能够衰变为一个带正电的K介子(由上夸克和反奇特夸克组成)和一个带负电的π介子(由下夸克和反上夸克组成)。成果十分显着:产生衰变的B0介子数量显着大于介子的数量,切当地说,多了8%。关于更为稀有的Bs介子来讲,正反粒子的差异乃至更为显着,丈量显现,衰变为K介子的Bs介子比其反粒子要多出近27%。

不知道的物理机制

经过许多的B介子衰变,咱们现已能十分准确地测出CP损坏的强度。LHCb的物理学家在此前斯坦福大学BaBar试验和日本筑波大学Belle试验的基础上,规划了一系列准确的测验试验。不过,这次他们为大多数丈量拟定了新的准确度规范。与中性B介子粒子-反粒子振动有所不同的是,衰变进程中观测到的许多不对称性能够在理论上准确地核算出来。因而,丈量成为了一种更有用的东西,可在衰变的量子修正中搜寻新粒子。一起它们也能帮咱们找出或许导致粒子和反粒子不对称的新机制。研讨人员也希望能从中间接得出答案,解说咱们国际的物质为何不对称。

到现在为止,粒子物理规范模型对根本粒子国际相关现象的描绘是十分成功的。在这一理论中,只要在弱彼此作用进程中才会出现CP损坏。各种夸克改变进程,例如上夸克改变为下夸克、上夸克改变为底夸克,是严密关联的——这些改变的概率存在固定联系,这种联系能够用幺正三角形来标明,其面积标明的便是观测到的CP损坏强度。两位日本理论物理学家小林诚(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)凭仗对这些现象的描绘获得了2008年诺贝尔物理学奖。三角形的角度和边长无法核算,只能经过试验确认。把三角形的底设为单位长度1,测出别的两个参数,就能确认整个三角形。

经过B0介子衰变为K介子和J /ψ介子(B0→J/ψ Ks)时的CP损坏强度测出三角形的β角,再依据B介子振动频率得出侧边长,就得到了现在此三角形的最佳丈量成果。其他每种夸克改变也必须能用三角形的参数描绘,而三角形的任何不自洽之处,或许都标志着某种规范模型之外的粒子或作用力。因而,LHCb的物理学家正经过多种不同办法丈量三角形参数,找寻或许存在的偏差。

经过几何核算,能够得出此三角形的另一个角γ是65度。这一成果的不确认性很低,大概是2%~3%。不过,与此一起,这一角度也能够借助B±→D0K±等衰变反响中的CP损坏强度完全独立地丈量出来。当然,这些进程十分稀有,因而γ角的丈量成果到现在为止都很不准确。LHCb的研讨人员经过记载许多的B介子,能将差错下降到大约5度。现在,试验丈量出的成果是73.5度,虽然比几何办法核算出的成果要高,但在统计学上仍然是相符的。下一步要确认的是,随着丈量精度的进步,这种差异是会消失掉,仍是会变得越来越显着。

到现在为止,规范模型好像仍能正确描绘粒子物理的这一范畴。鉴于B介子相关物理进程中粒子和反粒子的不对称性丈量相对繁琐,原理也十分杂乱,得出这样的成果虽不算惊人,但也相当可观。可是,前面γ角核算那个比如标明,现在要给出清晰的定论还为时尚早。任何不知道粒子给量子效应和CP损坏带来的影响都或许十分小,从而隐藏在仍然很大的不确认性背后。虽然物理学家在重子衰变中没有发现CP损坏的清晰依据,但LHCb的研讨者初次发现了与之相关的头绪。

所谓的λ重子(即Λb,含有底夸克、上夸克和下夸克)会衰变成一个质子和三个带电荷的π介子。相应的反λ重子则衰变成反质子和三个带电荷的π介子。这类衰变十分稀有,假如不是由于LHCb试验反响速率快,反响量大,真的很难发现这种现象。初次丈量显现,λ和反λ重子的衰变之间存在微小差异。可是,由于这类丈量差错很大,所以物理学家甘愿暂时将他们的调查成果称为有力的头绪。可是,假如更多的数据证明重子衰变中确实存在CP损坏,那么或许这种现象实际上也存在于此前的各类粒子体系傍边。这将为咱们打开一扇新的大门,有助于咱们更好地了解自然界的根本作用力和粒子。

在B0介子衰变为K介子和π介子进程中,能够看出正反B0介子的行为存在差异:产生 B0→K+π–衰变(图a)的B0介子数量要远远大于产生 →K-π+衰变(图b)的介子。

除重子外,现在还有别的一类粒子也很难被准确丈量:那便是中性D介子。这种粒子的独特之处在于,它是唯一一种拥有三分之二电荷夸克(即上夸克和粲夸克)的中性介子。虽然中性D介子是在B介子之前被发现的,可是直到2013年,科学家才经过LHCb试验清晰无误地证明它也存在混合,或者说振动现象,也便是介子和本身的反粒子能彼此改变。之所以很难调查到中性D介子的振动,是由于它的振动频率过慢。在经历满足长期,得以转化为反粒子之前,大多数粒子现已衰变了。因而,首选需求许多的D介子,只要这样才能有一些十分长寿的粒子终究经历正反粒子的转化,并让物理学家调查到。在D介子身上,粒子-反粒子不对称更是难以调查到,由于依据理论预言,这个数值十分小。

虽然现在在LHCb上进行的对称性测验最高精度能到达0.1‰,可是收集到的数据还远远不足以调查到预期的不对称性。不过,由于这种不对称性很小,需求极为准确的丈量,所以一些意想不到的效应或许相对来说很强,能够显着影响丈量成果。因而,咱们仍是能够期盼有惊喜出现的。

在丈量成果的不确认性相当大的情况下,新的物理现象有时会被掩盖住,比如说,被当成大质量的不知道粒子带来的效应。LHCb的科学家计划在2030年前将数据集扩大十倍,一起还要优化探测器以能习惯更大的数据传输率,这样就能显着下降丈量中的不确认性。LHCb将帮助咱们进一步理解夸克物理中的粒子-反粒子对称性破缺。假如真的存在不知道的新效应,LHCb应该能够发现它们。此外,物理学家也在经过其他试验研讨中微子或许存在的CP损坏。或许,前期世界中真的还存在一些咱们此前不知道的粒子或CP损坏机制,由于很显着,咱们现在在介子试验中所调查到的CP损坏强度,并不足以解说为何世界中物质是过剩的。必定还有一些不知道的东西做出了奉献,而它们必定会在粒子世界中留下蛛丝马迹。咱们需要做的,便是去找到它们。



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