科學(xué)家以前所未有的精準(zhǔn)度發(fā)現(xiàn)到，物質(zhì)與反物質(zhì)之間是完美鏡像，據(jù)我們目前所了解的。讓人們希望了解為什么宇宙中的物質(zhì)遠(yuǎn)比反物質(zhì)多又更挫敗了。
常見(jiàn)的物質(zhì)是由質(zhì)子、中子或電子所構(gòu)成。這些粒子伴隨著反粒子(分別為反質(zhì)子、反中子與正電子)-具有相同質(zhì)量但電荷相反 (雖然中子與反中子都為電中性，中子與反中子各自由具有分?jǐn)?shù)電荷的夸克構(gòu)成，而這些夸克在中子與反中子里的電荷會(huì)互相對(duì)等或相反)。
這個(gè)已知的宇宙是由常見(jiàn)物質(zhì)所組成。但奧妙的是，為什么這個(gè)宇宙不是由對(duì)等數(shù)量的反物質(zhì)組成，因?yàn)?37億年前的大爆炸制造了同等數(shù)量的物質(zhì)與反物質(zhì)。如果物質(zhì)與反物質(zhì)為鏡像而在每方面儲(chǔ)存它們的電荷，兩種物質(zhì)可能都不會(huì)存在，因?yàn)槲镔|(zhì)與反物質(zhì)碰在一起的時(shí)候就會(huì)消滅。
檢查電荷共軛宇稱
理論物理學(xué)家懷疑宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的極端不對(duì)稱數(shù)量，技術(shù)上稱為重子不對(duì)稱性(baryon asymmetry)，可能是因?yàn)槲镔|(zhì)與反物質(zhì)的不同特性所造成的，通常稱為電荷共軛宇稱(charge-parity)，或稱為宇稱對(duì)稱破壞(CP symmetry violation)。然而，所有已知會(huì)造成宇稱對(duì)稱破壞的作用無(wú)法解釋為什么相對(duì)于反物質(zhì)，物質(zhì)擁有極大優(yōu)勢(shì)。
日本物理與化學(xué)研究所(RIKEN)粒子物理學(xué)家，同時(shí)是此研究領(lǐng)導(dǎo)作者的Stefan Ulmer告訴Live Science說(shuō)，這奧妙背后的解釋可能起因于物質(zhì)與反物質(zhì)之間的不同特性: 例如，也許反質(zhì)子(anti-proton)衰變比質(zhì)子(proton)快。無(wú)論再怎么輕微，只要發(fā)現(xiàn)這類的不同性，“就對(duì)于我們目前對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)基本定律的了解會(huì)造成極端的后果”。
在最嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)下，科學(xué)家利用35天周期對(duì)6500對(duì)質(zhì)子與反質(zhì)子進(jìn)行電荷質(zhì)量比例研究。研究人員利用磁場(chǎng)將質(zhì)子與反質(zhì)子框住，以避免物質(zhì)與反物質(zhì)接觸。然后測(cè)量這些粒子在場(chǎng)中的周期性移動(dòng)，這特性叫做回旋頻率(cyclotron frequency)，它與那些粒子的電荷質(zhì)量比例及磁場(chǎng)強(qiáng)度相同。
(在技術(shù)上，實(shí)驗(yàn)中研究人員不使用簡(jiǎn)單的質(zhì)子，而是使用具有有2個(gè)電子包圍一個(gè)質(zhì)子的負(fù)氫離子。藉以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，反質(zhì)子與負(fù)氫離子都是負(fù)電荷，因此對(duì)磁場(chǎng)會(huì)有一樣的反應(yīng)?？茖W(xué)家就可以較容易了解在實(shí)驗(yàn)中這些電子所產(chǎn)生的影響。)
完美鏡像
Ulmer在一份聲明稿說(shuō)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電荷質(zhì)量比例在質(zhì)子中與反質(zhì)子中“完全一致的比例是兆分之69個(gè)部位以內(nèi)”。這個(gè)測(cè)量比之前用來(lái)測(cè)量比例的方式好上四倍。
此外，研究人員也發(fā)現(xiàn)他們所測(cè)量的電荷質(zhì)量比例在一天內(nèi)不會(huì)變化超過(guò)兆分之720個(gè)部位，即地球自轉(zhuǎn)的同時(shí)環(huán)繞著太陽(yáng)。這意味著質(zhì)子與反質(zhì)子隨著時(shí)間以相同速度快速穿越太空時(shí)的行為是相同的，即它們并沒(méi)有違反所謂的電荷共軛宇稱時(shí)間(charge-parity-time)或CPT對(duì)稱(CPT symmetry)。
CPT對(duì)稱是粒子物理學(xué)重要的標(biāo)準(zhǔn)模型，描述基本粒子至今是如何構(gòu)成宇宙的行為。沒(méi)有任何已知違反CPT對(duì)稱的存在。“任何被偵測(cè)出違反CPT對(duì)稱的存在，將會(huì)使我們對(duì)自然的了解帶來(lái)重大影響”Ulmer說(shuō)。
而且，這些電荷質(zhì)量比例與地球重力場(chǎng)的相異并未超過(guò)十億分之870個(gè)部位。意味著所有物質(zhì)在同樣重力場(chǎng)中以同等速率落下的弱等效原理(weak equivalence principle)，在這樣的精準(zhǔn)度下依然存在。弱等效原理是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的基本原理，是迄今為止用來(lái)解釋重力作用最好的原理。沒(méi)有任何已知違反弱等效原理的存在，如果真的找到有違反原理的存在，必定會(huì)為現(xiàn)今科學(xué)對(duì)重力及時(shí)空，以及兩者與物質(zhì)及能量之間關(guān)系的了解帶來(lái)革命性的沖擊。
Ulmer說(shuō)，科學(xué)家計(jì)劃要使用更穩(wěn)定的磁場(chǎng)以及其他方法，做到讓精準(zhǔn)度達(dá)到比之前的方式更精準(zhǔn)10倍以上的測(cè)量方式。
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