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物质战胜反物质留下令人困惑的后遗症

子弹星团距离地球约38亿光年,是在两个巨大星系团剧烈碰撞后形成的。这张图像结合了钱德拉的X射线图像和哈勃太空望远镜和智利麦哲伦望远镜的光学数据。

最近有消息称,在伊利诺伊州粒子加速器八年的原子粉碎过程中,只产生了比反物质多一点点的物质,这对试图弄清我们周围宇宙的科学家来说是一个令人鼓舞的步骤。但研究人员仍有艰巨的工作要做,以确定他们所看到的是否足以解释当今宇宙确实存在这一古老而艰难的事实。

在位于伊利诺伊州巴达维亚的能源部费米国家加速器实验室(费米实验室)的4英里Tevatron对撞机上进行的粒子粉碎过程中,某些物质和反物质粒子之间的平衡仅向正常物质倾斜了1%。研究人员表示,根据统计分析,这1%不太可能是偶然的。

英国曼彻斯特大学的物理学家StefanSoldner Rembold说:“我们知道,我们测量的比以前所知的要多。”“这是否足以解释宇宙学模型,好吧,这是理论家们必须计算的。”

物理学家长期以来一直认为,尽管最初的宇宙在理论上是以相等数量的物质和物质开始的,但还是有一些东西使平衡向物质倾斜。然而,粒子物理的标准模型几乎不允许任何物质-反物质的不对称或不平衡——当然不足以产生今天的宇宙。

Stefan Soldner Rembold解释道:“我们知道标准模型中存在这种不对称性,但就测量的数量而言,它确实非常小。”

Soldner Rembold告诉太空网,出于同样的原因,在物质和反物质之间发现的任何大平衡“都将是由于某种新的效应”。

费米实验室DZero实验的研究小组希望他们的新发现足以解释物质是如何获胜的。

线索的集合

反物质充当物质镜像的想法被称为电荷奇偶性(CP)对称性。但科学家们在过去已经发现了一些例子,轻微的行为差异会导致物质和反物质粒子的整体平衡发生变化。

关于打破CP对称规则的可能性的第一条线索出现在1964年的一次实验中,当时物理学家发现了被称为kaon的粒子和反kaon粒子衰变的差异。过去的实验也测量过B介子,但与Tevatron对撞机的最新研究不同。

目前,科学家们可以从离找到物质如何赢得反物质之战的确切证据又近了一步中得到鼓励。

Soldner Rembold指出:“如果你有不止一个提示指向同一个方向,这会让你更有信心。”

观看扣杀

即使找到1%的差异也是一项棘手的任务。

首先,它需要电子对撞机,它可以产生反粒子,否则这些反粒子可能只来自核反应或垂死恒星的宇宙射线等罕见事件。这使物理学家能够研究物质与反物质粒子(如质子和反质子)之间的高能碰撞。

质子和反质子之间的碰撞产生了B介子粒子及其反物质孪晶。然后,那些重的、短命的粒子几乎立即衰变为被称为μ介子的成对粒子,以及被称为反物质μ介子的对应粒子。

科学家们通过观察粒子在一对磁场之间缩放时的弯曲方向,来测量带正电荷的μ子和带负电荷的反μ子的数量。研究小组还每两周反转一次磁场,以确保探测器部件之间没有细微的差异会影响计算。

Soldner Rembold说:“当你进行实验时,你必须真正确保这些背景差异很小。”

通过排除背景差异,物理学家们表明,他们的发现与已知效应一致的几率低于0.1%。这可能是迄今为止最有力的证据,证明物质与反物质行为的差异是如何颠覆天平的。


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