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假设有一种叫做轴子的粒子,它可以解开物理学的一大谜团:物质超过反物质的数量,或者我们为什么会在这里。
 
根据粒子物理学的标准模型,当我们的宇宙诞生时,物质和反物质的相遇应该会相互湮灭。这意味着没有任何东西——没有地球,没有太阳,没有星系,没有人类——会存在。但是我们做的。
 
“这与标准模型有明显的矛盾,”密歇根大学的物理学家和博士后研究员Raymond Co说。“为什么整个宇宙都充满了物质,而反物质却很少?”
 
公理和标准模型的问题
 
粒子物理学的标准模型解释了宇宙中的三种基本力:电磁力、弱力和强力。电磁是任何带电荷的粒子之间的力。弱力使中子分解。这种强大的力解释了为什么中子和质子等亚原子粒子能结合在一起。
 
但是在标准模型中有一些矛盾,沐鸣登陆其中之一是物质和反物质之间的不平衡。标准模型也不能解释暗物质的存在,也不能解释中子的观测性质。
 
现在,共同作者、高级研究所研究员Keisuke Harigaya认为轴突可能解释了另一个问题:物质和反物质之间的不平衡。
 
假设的粒子轴突极其轻——至少比质子轻数十亿倍,而且几乎不与正常物质相互作用。这就解释了为什么它们还没有被探测到,即使我们使用仪器来探测质子、中子和电子。
 
解决物理难题
 
科学家们首先假设轴突是为了解决一个叫做强CP问题的矛盾。你可能在高中的物理课上学过,电子带负电荷,质子带正电荷,中子不带电荷。然而,中子是由更基本的粒子构成的,这些粒子被称为夸克,它们确实带有电荷。所以物理学家期望中子与电场相互作用,Co说。但他们没有。如果轴离子存在,它将关闭中子和电场之间的相互作用,解决强CP问题。
 
轴子也可能是暗物质的一个很好的候选者,暗物质被用来解释星系的转速,这是标准模型的另一个矛盾之处。如果星系以它们目前旋转的速度旋转,以它们基于发光物质(我们可以看到的物质,因为它发出光)的重力的大小,它们就会飞离。只是没有足够的重力把它们连在一起。科学家们认为,在我们看不到的星系中,一定存在着大量的物质——比如一个巨大的轴子场——来解释星系的旋转速度。
 
在此之前,物理学家认为在宇宙的早期阶段,大爆炸之后,沐鸣登陆轴离子场最初是静止的,并随着宇宙的冷却而开始振荡。“你可以把轴突想象成一个塑料汽水瓶里的球,这个球在塑料汽水瓶的最低点前后摆动,”Co说。
 
相反,研究人员认为,在这个早期阶段,轴离子场具有更有趣的动态。Co说,想象一下塑料汽水瓶。在沿着瓶底前后滚动之前,轴突绕着瓶身旋转成圆形。
 
Co和Harigaya认为,通过强作用力和弱作用力的相互作用,轴子的旋转产生的物质只比反物质多一点点。当物质和反物质结合在一起,而不是完全湮灭,100亿分之一的物质就形成了我们今天看到的世界。
 
“轴突首先是由理论粒子物理学家提出的,”Harigaya说。从那以后,理论和实验粒子物理学家、天体物理学家和宇宙学家一直在一起研究轴子。我们已经揭示了一个新的宇宙作用轴由于旋转。我们希望我们的工作能进一步促进跨学科研究的努力。”
 
“人们总是想知道我们为什么在这里,这就是物质——反物质不对称——在技术上的意义,”Co说。“在我们的工作中令人兴奋的是,轴子同时解释了粒子物理学中的所有三个问题:暗物质、物质-反物质不对称性和强CP问题。
 
“由于这些问题还没有在这个axion框架中同时进行研究,因此需要在这个主题上做大量的工作。最引人注目的是,这个axion框架将在不久的将来进行实验测试。”