反物質(zhì)能否引領(lǐng)我們通往暗物質(zhì)宇宙？

　　北京時(shí)間 11 月 19 日消息，在近期發(fā)表的一篇論文中，研究者提出了這樣一個(gè)問(wèn)題：假如反物質(zhì)是進(jìn)入暗宇宙的入口，那將意味著什么?

　　迄今為止對(duì)宇宙的測(cè)量顯示，宇宙的大部分質(zhì)量似乎來(lái)源于“暗物質(zhì)”，即某種通過(guò)萬(wàn)有引力定律與常規(guī)物質(zhì)相互作用的隱形物質(zhì)。盡管付出了很大的努力，但科學(xué)家仍未直接探測(cè)到暗物質(zhì)。他們嘗試了許多不同的方法，比如意大利國(guó)立核子物理研究所的 PVLAS 探測(cè)器團(tuán)隊(duì)就試圖尋找名為軸子(axion)的粒子。這是一種假想的亞原子粒子，被許多人認(rèn)為是暗物質(zhì)的候選組成部分之一。通過(guò)研究軸子與反物質(zhì)相互作用的方式，該團(tuán)隊(duì)希望能找到暗物質(zhì)的潛在線索。

　　軸子或許只能算是第二大最有希望的暗物質(zhì)候選粒子，僅次于大質(zhì)量弱相互作用粒子(Weakly Interactive Massive Particles，簡(jiǎn)稱 WIMP)。這種粒子也仍停留在理論階段，還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上，理論預(yù)測(cè)中的軸子具有令人難以置信的微小質(zhì)量(只有電子的五千億分之一到五千萬(wàn)分之一)，而科學(xué)家最初提出這一概念的原因，是為了解決粒子物理學(xué)中 CP 守恒問(wèn)題。后來(lái)科學(xué)家意識(shí)到，這些粒子或許可以解釋宇宙中額外的質(zhì)量。

　　在探尋暗物質(zhì)粒子的同時(shí)，科學(xué)家也在試圖了解反物質(zhì)。正如普通物質(zhì)由普通粒子構(gòu)成，反物質(zhì)由反粒子構(gòu)成。作為粒子物理學(xué)中反粒子概念的延伸，反物質(zhì)有點(diǎn)像物質(zhì)的“邪惡孿生兄弟”：每個(gè)亞原子粒子都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的反粒子，二者的質(zhì)量相同，但電荷相反，當(dāng)粒子與反粒子相遇時(shí)，就會(huì)相互吸引、碰撞并完全轉(zhuǎn)化為光，同時(shí)釋放巨大的能量——這一過(guò)程稱為湮滅。反物質(zhì)并不特別罕見，它們會(huì)出現(xiàn)在地球上發(fā)生的典型原子衰變過(guò)程中，也可以在實(shí)驗(yàn)室中人工制造出來(lái)，但是在現(xiàn)今可見的宇宙范圍內(nèi)，反物質(zhì)比常規(guī)物質(zhì)少得多，這種明顯的正反物質(zhì)不對(duì)稱性成為物理學(xué)最大的謎題之一。

　　該論文的第一作者、日本理化學(xué)研究所(RIKEN)的研究人員克里斯蒂安·斯莫拉(Christian Smorra)表示，科學(xué)家通常認(rèn)為暗物質(zhì)會(huì)以同樣的方式與物質(zhì)和反物質(zhì)相互作用，但“這一假設(shè)至今未能得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，因?yàn)樵谠游锢韺W(xué)中，對(duì)暗物質(zhì)的探索使用的是物質(zhì)探測(cè)器”，而不是反物質(zhì)探測(cè)器。也許反物質(zhì)與暗物質(zhì)相互作用的方式與普通物質(zhì)不同。

　　日本、德國(guó)、瑞士和美國(guó)的研究人員正在利用歐洲核子研究中心(CERN)的“重子-反重子對(duì)稱實(shí)驗(yàn)”(Baryon-Antibaryon Symmetry Experiment，簡(jiǎn)稱 BASE)獲取數(shù)據(jù)。歐洲核子研究中心的反質(zhì)子減速器能生成并減慢反質(zhì)子，并通過(guò) BASE 將反質(zhì)子困在極端的真空中。2017 年，該國(guó)際團(tuán)隊(duì)對(duì)這些反質(zhì)子進(jìn)行了三個(gè)月的精確測(cè)量，觀察它們?cè)诖艌?chǎng)中的作用方式。現(xiàn)在，科學(xué)家重新檢查了這些數(shù)據(jù)，尋找反質(zhì)子自旋進(jìn)動(dòng)的變化。自旋是粒子的一種內(nèi)稟性質(zhì)，使它們有點(diǎn)像一個(gè)量子版的旋轉(zhuǎn)陀螺。與軸子——理論上的暗物質(zhì)粒子——的相互作用，可能會(huì)改變粒子圍繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方式。

　　這種搜索軸子的策略還有一個(gè)額外的好處：如果暗物質(zhì)與反物質(zhì)的相互作用不同于與普通物質(zhì)的相互作用，那軸子就可能有助于解釋為什么宇宙中的物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)。

　　根據(jù)發(fā)表在《自然》(Nature)雜志上的這篇新論文，研究人員并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)軸子存在的證據(jù)。在暗物質(zhì)研究中，這樣的結(jié)果可以說(shuō)是常態(tài)。但是，在這個(gè)物理學(xué)的時(shí)代，各種顯而易見的東西都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了，科學(xué)家必須花大量的時(shí)間來(lái)排除暗物質(zhì)所不具有的屬性，并希望最終能從所有這些無(wú)效結(jié)果中獲得發(fā)現(xiàn)。

　　這是一次重要的粒子尋找過(guò)程。“我很高興有人關(guān)注軸子-光子耦合之外的軸子耦合，”美國(guó)新罕布什爾大學(xué)的物理學(xué)助理教授錢達(dá)·普雷斯科德-溫斯坦(Chanda Prescod-Weinstein)說(shuō)道。換句話說(shuō)，終于有科學(xué)家嘗試尋找與普通粒子相互作用的軸子，而不是只關(guān)注軸子和光粒子的相互作用。

　　盡管該研究仍然沒(méi)有給出確定的結(jié)果，但科學(xué)家的搜尋并沒(méi)有結(jié)束。美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家詹保羅·卡羅西(Gianpaolo Carosi)在《自然》雜志的評(píng)論文章中寫道：“未來(lái)的工作應(yīng)該進(jìn)一步聚焦軸子-反質(zhì)子耦合，尋找軸子暗物質(zhì)和其他反物質(zhì)形式(如電子的反粒子)相互作用的證據(jù)。”

　　卡羅西表示，研究小組下一步應(yīng)提高他們的測(cè)量靈敏度。關(guān)于軸子，我們所知道的是，它們的質(zhì)量非常微小，但可能的范圍又很大，而且電荷和自旋都是零。無(wú)論如何，科學(xué)家對(duì)暗物質(zhì)的探索仍將繼續(xù)。
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