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時間:2020-06-02 10:43:03 來(lai)源(yuan):科技日報

現有(you)的宇宙大(da)爆炸理論認為(wei),我們身處的宇宙源(yuan)于138億年前(qian)的一次大(da)爆炸,但這(zhe)一理論也認為(wei),大(da)爆炸時產生了等量的物(wu)質和反物(wu)質,而正反物(wu)質相遇時會彼此(ci)湮滅,使一切(qie)煙消雲散(san)。

  但宇宙間的萬事(shi)萬物(wu)又(you)的確存在(zai),這(zhe)中間發生了什麼曲(qu)折離奇的故事(shi)呢?美(mei)國、日本和加(jia)拿大(da)科學家近日提出(chu)的一項(xiang)新(xin)理論認為(wei),早(zao)期(qi)宇宙發生的相變使中微子(zi)衰變成更多粒(li)子(zi)(數量比反粒(li)子(zi)多),致使正反物(wu)質的數量出(chu)現偏差。這(zhe)一相變也會產生“宇宙弦”,而宇宙弦會產生引力波,探(tan)測到這(zhe)些引力波,或(huo)可揭示正反物(wu)質不對稱之謎。

  對yuan)ci),中國科學技ji)醮da)學物(wu)理學院天文(wen)系教授蔡一夫(fu)對科技日報記(ji)者(zhe)說︰“即便觀(guan)測到宇宙弦產生的引力波,可能還(huai)需(xu)很多條件(jian)才能進一步證實上述觀(guan)點。不huai) zhe)提供了一種解(jie)決正反物(wu)質不對稱之謎的新(xin)思路。”

  中微子(zi)“挺身而出(chu)” 

  現代宇宙學大(da)爆炸理論認為(wei),大(da)爆炸之初(chu),宇宙中產生了等量的物(wu)質和反物(wu)質。如果“劇情(qing)”一直(zhi)這(zhe)樣發展(zhan)下去,那麼,物(wu)質和反物(wu)質最終(zhong)會“狹路相逢”,彼此(ci)湮滅。

  但實際(ji)上,現在(zai)我們身處的宇宙中xin)旆斃牽 瀆爍髦治wu)質,這(zhe)就(jiu)與(yu)上述理論產生了矛盾(dun)。因此(ci),為(wei)使宇宙得以(yi)yuan)嬖zai),必須要有(you)少(shao)量反物(wu)質轉(zhuan)化(hua)為(wei)物(wu)質,使正反物(wu)質數量不平衡。科學家認為(wei),物(wu)質的數量只需(xu)比反物(wu)質多十(shi)億分之一就(jiu)可以(yi)讓(rang)宇宙存在(zai)。

  但正反物(wu)質shou) 湔zhe)種不平衡是何(he)時以(yi)及如何(he)出(chu)現的?目前(qian)仍是未解(jie)之謎,這(zhe)也是宇宙間最大(da)的謎團之一。美(mei)國加(jia)you)荽da)學伯克利分校博(bo)士後(hou)研究員杰夫(fu)?德羅說︰“這(zhe)個(ge)問題很難回答(da)。”

  鑒于物(wu)質和反物(wu)質電荷相反,因此(ci)除非它們呈電中性,否則它們不會相互轉(zhuan)化(hua)。中微子(zi)是我們迄今(jin)已知唯一呈電中性的物(wu)質粒(li)子(zi),科學家對它寄予厚望,認為(wei)它是完成這(zhe)一神(shen)聖使命的“不二人選”。

  目前(qian)已知存在(zai)3種中微子(zi)︰電子(zi)you)形 zi)、繆(miao)子(zi)you)形 zi)和陶子(zi)you)形 zi)。但有(you)科學家提出(chu),可能存在(zai)第四種中微子(zi)︰惰性中微子(zi)。

  還(huai)有(you)些科學家認為(wei),宇宙暴(bao)脹後(hou)經(jing)歷了一個(ge)相變,使早(zao)期(qi)宇宙中產生的惰性中微子(zi)衰變出(chu)更多粒(li)子(zi)(數量比反粒(li)子(zi)多),讓(rang)物(wu)質和反物(wu)質的數量得以(yi)“重新(xin)洗ci)啤薄/p>

  最新(xin)研究合(he)作(zuo)者(zhe)、加(jia)拿大(da)粒(li)子(zi)物(wu)理與(yu)原子(zi)核物(wu)理實驗室(shi)(TRIUMF)博(bo)士後(hou)格雷厄(e)姆?懷特表示︰“當宇宙的溫度(du)ren)﹦jin)天宇宙中最熱地方溫度(du)的1012倍—1024倍時,中微子(zi)的‘行為(wei)舉止’或(huo)許可以(yi)確保宇宙存在(zai)。”

  引力波“曲(qu)線(xian)救(jiu)國” 

  那麼,如何(he)探(tan)測到這(zhe)些惰性中微子(zi)呢?

  研究人員表示,現在(zai)科學家無法直(zhi)接觀(guan)測到惰性中微子(zi),因為(wei)通過實驗制造出(chu)惰性中微子(zi),需(xu)要一個(ge)比大(da)型強子(zi)對撞(zhuang)機強大(da)許多的粒(li)子(zi)加(jia)速器,所以(yi)只能通過間接方法,探(tan)測宇宙弦產生的引力波或(huo)是一種“曲(qu)線(xian)救(jiu)國”之法。

  論文(wen)合(he)著者(zhe)、日本東京大(da)學卡夫(fu)里宇宙物(wu)理與(yu)數學研究所首席研究員村山瞳說︰“早(zao)期(qi)宇宙的這(zhe)次相變可能創造出(chu)了宇宙弦,這(zhe)些宇宙弦實質上是時空的拓撲缺陷(xian)。”

  蔡一夫(fu)對科技日報記(ji)者(zhe)解(jie)釋說︰“相變在(zai)我們日常生活中比比皆是,例如水凍成冰、鐵磁(ci)體(ti)變成順磁(ci)體(ti)等qu)N頤塹撓鈧嫠jing)歷的歷史就(jiu)是一個(ge)不斷發生相變的熱膨脹歷史,在(zai)這(zhe)個(ge)過程中有(you)基本粒(li)子(zi)的產生,基本粒(li)子(zi)凝合(he)成元素,元素最後(hou)結合(he)出(chu)我們見到的熟悉的物(wu)質結構。”

  蔡一夫(fu)進一步指出(chu)︰“相變過程伴(ban)隨著(zhou)能量釋放,宇宙弦就(jiu)是宇宙經(jing)歷相變時釋放能量形成的一根根與(yu)當時的宇宙尺度(du)相當的繩子(zi)一樣的能量結構。”

  德羅和村山瞳等人認為(wei),隨著(zhou)這(zhe)些宇宙弦不斷演化(hua),會產生引力波,且產生引力波的頻譜zi)牒詼床bing)和等天體(ti)物(wu)理源(yuan)產生引力波的頻譜截然(ran)不同(tong)。未來(lai)的引力波觀(guan)測台(tai),例如即將(jiang)于2020年中期(qi)啟用的“平方公里陣列”(SKA)、擬于2034年發射的歐洲航天局的“空間天線(xian)激光干涉(she)儀”(LISA)、日本宇宙探(tan)索(suo)局的分赫(he)茲干涉(she)引力波天文(wen)台(tai)(DECIGO)等,或(huo)許可以(yi)探(tan)測到這(zhe)些引力波。

  研究人員表示,找到這(zhe)些宇宙弦產生的引力波還(huai)有(you)其(qi)他用途(tu),例如找到宇宙弦產生的高能中微子(zi),更精確確定已知中微子(zi)的質量等qu)/p>

  對yuan)ci),蔡一夫(fu)認為(wei)︰“宇宙弦產生引力波並(bing)不意外,只是我們還(huai)沒有(you)幸yi)說胤 制qi)‘倩影’。而且,即便我們探(tan)測到宇宙弦,宇宙弦的產生機制也並(bing)非唯一,還(huai)需(xu)要確認背後(hou)的相變過程才能證實上述觀(guan)點。”

  另(ling)外,蔡一夫(fu)強調說︰“宇宙弦如果帶電的話(hua),可以(yi)利用多信使天文(wen)檢測手(shou)段,如快(kuai)速射電暴(bao)的觀(guan)測來(lai)檢驗這(zhe)些超導的宇宙線(xian),從而更立體(ti)、更清晰地分zhi)嬗鈧嫦啾淶摹  柯砑ji)’。”

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編(bian)輯: 劉(liu)坤(kun)媛
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