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為什么我們難以見到反物質

為什么我們難以見到反物質(科學播報) 0:00/0:00
最新發布時間: 2020-01-19   瀏覽數:
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為什么是“物質”構成了我們今天的宇宙?(圖片來源:pixabay)

  我們經常會在理論物理學相關的內容中聽到或看到一個稱為“反物質(antimatter)”的概念。“反物質”顧名思義就是正常物質的相反狀態,這個概念最初由英國物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)在1928年的論文中做出預言。

  “反物質”的提出原因是為了解決有關于量子力學的問題,以及宇宙起源的謎團。但一直以來困擾物理學家的是,為什么我們今天難以見到所謂的“反物質”?換句話說,為什么是“物質”構成了我們今天的宇宙?

  由于物質和反物質之間有著完全相反的性質,當它們相遇時就會發生湮滅。因此,如果在宇宙誕生之初,物質和反物質的數量相同,那么宇宙中只會剩下能量,而沒有其它任何東西存在。但是顯然,物質在某個時間里占了上風。物質與反物質的這種不對稱關系至今為止仍然是一個未解之謎。


我們的世界中并沒有反物質,因此需要人為地進行制造(圖片來源:pixabay)

  不過,最近歐洲核子研究中心(法語Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire,簡稱CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)卻獲得了一個令人驚喜的結果。這座大型強子對撞機是世界上規模最大的粒子加速器,物理學家可以借助它進行理論物理學的研究。大型強子對撞機通過產生高能量讓質子發生碰撞,在碰撞的過程中就會形成粒子和反粒子(antiparticle)。在我們的世界中并沒有反物質,這是人為制造反物質的方法之一。

  來自美國雪城大學專攻夸克的研究團隊與歐洲核子研究中心開展合作,希望從這些對撞結果中找到新的發現。雪城大學的研究人員對于粲夸克(charm quark)格外注意。從大型強子對撞機的數據中,研究人員發現,粲夸克在衰變為更穩定的產物之前可以存在一段時間。這意味著粲夸克的物質-反物質轉化關系是不對稱的。這可能就是物質多于反物質的原因之一。

  我們知道,夸克(quark)是一種基本粒子,夸克的相互結合才有了構成原子核的質子、中子這些穩定的強子(hadron)。通過碰撞的數據,物理學家可以從中了解到粒子由不穩定轉變為穩定的具體過程。夸克有6種“味(flavor)”,分別是上、下夸克,粲(càn)、奇(qí)夸克和頂、底夸克。每對夸克都有相應的質量和電荷。


這些研究成果可能預示著有標準模型之外的新物理學(圖片來源:pixabay)

  過去物理學家只在奇夸克(strange quark)和底夸克(bottom quark)上發現過這個不對稱性,而上、下夸克(up quark & down quark)太過穩定、頂夸克(top quark)壽命太短,此次發現正好完成了整個夸克系統關于這個性質的研究。含有粲夸克的物質和反物質基本粒子在衰變上存在不同毫無疑問是一個重大的發現。

  研究人員表示,此次測量的確定性達到了99.9%,這些研究成果可能預示著有標準模型(Standard Model)之外的新物理學。標準模型描述了基本粒子間的相互作用,但直到今天它還是理論物理學未能完成的豐碑。

  我們靜待以此為起點的理論嘗試和進一步的觀察結果。盡管新發現也并不能完全解釋為什么今天我們難以見到反物質,但是基本粒子中物質-反物質的不對稱性為回答正反物質的存在問題提供了一個似乎可行的方向。

 

原創稿件

制作 葉鵬飛

審校 趙崢 北京師范大學物理系教授

參考文獻:Collaboration, L., Aaij, R., Abellan Beteta, C., Adeva, B., Adinolfi, M., Aidala, C., . . . Zucchelli, S. (2019). Near-threshold $D\bar{D}$ spectroscopy and observation of a new charmonium state.


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