神秘希格斯玻色子可能导致宇宙中反物质消失

2019年10月14日 09:19 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间10月14日消息,据国外媒体报道看,近日一项新研究称,三种尚未被观测到的希格斯粒子可能已经导致宇宙中几乎所有的反物质消失。反物质是粒子物理学中反粒子概念的延伸,当物质与反物质结合时,会像粒子和反粒子结合一样,发生湮灭并释放出高能光子(伽马射线)或其他能量较低的正反粒子对。目前,科学家还未在宇宙中找到反物质,这种正反物质的不对称性成为现代物理学中最大的谜团之一。

希格斯玻色子是标准模型里的一种基本粒子,极不稳定,生成后会立刻衰变。2012年,物理学家利用大型强子对撞机(LHC)证实了希格斯玻色子的存在。在预印本杂志arXiv上发表的一篇论文中,来自纽约布鲁克海文国家实验室和堪萨斯大学物理与天文系的三位理论物理学家描述了一项新的理论。他们表示,有三种类型的希格斯玻色子可能使物质与反物质发生碰撞,导致反物质几乎完全消失。

在宇宙中,常规物质的数量远远超过反物质的数量。现有的研究结果显示,宇宙中每发现一个反物质粒子,就有大约10亿个物质粒子,尽管事实上,每一次亚原子反应都会产生等量的反物质粒子和物质粒子。

有科学家提出理论,认为反物质可能在宇宙形成后很快就消失了,而在大爆炸之后的宇宙中,希格斯玻色子发挥了关键作用。因此,研究人员开始对希格斯玻色子展开研究。具体来说,他们假定存在三种尚未被发现的希格斯粒子,称为“希格斯三驾马车”(Higgs Troika),它们很可能对反物质的消失负有责任。

研究人员表示,这三种粒子,连同可能构成早期宇宙特征的大量能量,可能导致了常规物质的汇集。在这个由物质和反物质组成的高能量汤中,新产生的物质与对应的反物质直接结合,然后湮灭,最终消除了几乎所有反物质。

研究人员已经对这一理论进行了初步验证。他们指出,这三种粒子不同的衰变速度可能创造了一场“完美风暴”,使常规物质在能量上远远超过了反物质,从而创造了今天科学家观察到的近十亿比一的比例。

在大型强子对撞机的研究中,科学家在发现新型希格斯粒子方面也取得了一些进展,这意味着,可能还存在着更多物理学家尚不知晓的希格斯粒子。尽管该研究仍处于理论阶段,但研究人员表示,这些结果为研究正反物质不对称问题提供另一条途径,可能使解决宇宙形成之谜又近了一步。

大型强子对撞机(LHC)是世界上规模最大,也是能量最强的粒子加速器,位于瑞士和法国边境的地下隧道中,长度达27公里。2008年,大型强子对撞机射出了第一道质子束,正式开始粒子对撞则是在2010年。在大型强子对撞机的环形隧道内,质子束以接近光速运动,并在4个相互作用点发生碰撞。

在加速器通道内,放置着两个质子束管,两束高能粒子束的方向相反,在碰撞前会以接近光速运动。加速管由超导电磁铁包覆,以液氦冷却。这些电磁铁由特殊的电缆线圈构成,在超导状态下工作,能有效地导电而不产生电阻或能量损失。

对撞机的4个相互作用点分别设有5个侦测器,可以对碰撞中产生的新粒子进行探测。通过分析这些碰撞,来自世界各地的物理学家正不断加深人类对自然规律的理解。

大型强子对撞机每秒能产生多达10亿次质子与质子的碰撞,而下一代超大型强子对撞机——称为高亮度强子对撞机(HL-LHC)——“亮度”(单位截面碰撞发生的频率)提高5至7倍,从而使2026年至2036年间的数据积累量增加约10倍。这意味着,物理学家将能够研究更加罕见的现象并进行更精确的测量。

2012年,物理学家利用大型强子对撞机发现了希格斯玻色子,从而在理解粒子如何获得质量方面取得了巨大进展。物理学家花了四十多年时间寻找这种亚原子粒子的踪迹,但直到2013年才最终得以确认。(任天)

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