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为什么我们难以见到反物质

为什么我们难以见到反物质(科学播报) 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-01-19   浏览数:
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为什么是“物质”构成了我们今天的宇宙?(图片来源:pixabay)

  我们经常会在理论物理学相关的内容中听到或看到一个称为“反物质(antimatter)”的概念。“反物质”顾名思义就是正常物质的相反状态,这个概念最初由英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)在1928年的论文中做出预言。

  “反物质”的提出原因是为了解决有关于量子力学的问题,以及宇宙起源的谜团。但一直以来困扰物理学家的是,为什么我们今天难以见到所谓的“反物质”?换句话说,为什么是“物质”构成了我们今天的宇宙?

  由于物质和反物质之间有着完全相反的性质,当它们相遇时就会发生湮灭。因此,如果在宇宙诞生之初,物质和反物质的数量相同,那么宇宙中只会剩下能量,而没有其它任何东西存在。但是显然,物质在某个时间里占了上风。物质与反物质的这种不对称关系至今为止仍然是一个未解之谜。


我们的世界中并没有反物质,因此需要人为地进行制造(图片来源:pixabay)

  不过,最近欧洲核子研究中心(法语Conseil Européenn pour la Recherche Nucléaire,简称CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC)却获得了一个令人惊喜的结果。这座大型强子对撞机是世界上规模最大的粒子加速器,物理学家可以借助它进行理论物理学的研究。大型强子对撞机通过产生高能量让质子发生碰撞,在碰撞的过程中就会形成粒子和反粒子(antiparticle)。在我们的世界中并没有反物质,这是人为制造反物质的方法之一。

  来自美国雪城大学专攻夸克的研究团队与欧洲核子研究中心开展合作,希望从这些对撞结果中找到新的发现。雪城大学的研究人员对于粲夸克(charm quark)格外注意。从大型强子对撞机的数据中,研究人员发现,粲夸克在衰变为更稳定的产物之前可以存在一段时间。这意味着粲夸克的物质-反物质转化关系是不对称的。这可能就是物质多于反物质的原因之一。

  我们知道,夸克(quark)是一种基本粒子,夸克的相互结合才有了构成原子核的质子、中子这些稳定的强子(hadron)。通过碰撞的数据,物理学家可以从中了解到粒子由不稳定转变为稳定的具体过程。夸克有6种“味(flavor)”,分别是上、下夸克,粲(càn)、奇(qí)夸克和顶、底夸克。每对夸克都有相应的质量和电荷。


这些研究成果可能预示着有标准模型之外的新物理学(图片来源:pixabay)

  过去物理学家只在奇夸克(strange quark)和底夸克(bottom quark)上发现过这个不对称性,而上、下夸克(up quark & down quark)太过稳定、顶夸克(top quark)寿命太短,此次发现正好完成了整个夸克系统关于这个性质的研究。含有粲夸克的物质和反物质基本粒子在衰变上存在不同毫无疑问是一个重大的发现。

  研究人员表示,此次测量的确定性达到了99.9%,这些研究成果可能预示着有标准模型(Standard Model)之外的新物理学。标准模型描述了基本粒子间的相互作用,但直到今天它还是理论物理学未能完成的丰碑。

  我们静待以此为起点的理论尝试和进一步的观察结果。尽管新发现也并不能完全解释为什么今天我们难以见到反物质,但是基本粒子中物质-反物质的不对称性为回答正反物质的存在问题提供了一个似乎可行的方向。

 

原创稿件

制作 叶鹏飞

审校 赵峥 北京师范大学物理系教授

参考文献: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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