當(dāng)一個熾熱、致密的奇點發(fā)生爆炸時，宇宙中的第一批粒子就形成了。物理學(xué)家認(rèn)為，在大爆炸那種極端條件下，光轉(zhuǎn)化成了物質(zhì)，即后來構(gòu)成你我以及世間萬物的電子、質(zhì)子和中子。
但是，物理學(xué)家并不知道那種轉(zhuǎn)化是如何發(fā)生的。在上世紀(jì)90年代，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，他們可以通過讓兩束高能光束發(fā)生碰撞，把光轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。
他們還發(fā)現(xiàn)，光會同時產(chǎn)生數(shù)量相同的反物質(zhì)。宇宙中的首批物質(zhì)粒子跟它們的“鏡像”反物質(zhì)粒子理應(yīng)在一場毀天滅地的爆炸中湮滅，物質(zhì)本不應(yīng)該存在。
然而，顯而易見的是，物質(zhì)是存在的。出于某種原因，宇宙大爆炸之后形成的物質(zhì)數(shù)量超過了反物質(zhì)，而物理學(xué)家不知道為什么?！斑@是宇宙中最大的謎團之一。”美國能源部下屬費米實驗室（Fermilab）的物理學(xué)家多恩·林肯（Don Lincoln）如是說。
過去50年里，物理學(xué)家一直在實驗室和方程式中尋找著答案。這里有一個候選對象：一些人預(yù)測，有一種放射性過程能夠把原子內(nèi)的兩個中子變成兩個質(zhì)子。該過程名為“無中微子雙β衰變”，理論物理學(xué)家認(rèn)為，它可以產(chǎn)生兩個電子，但不會產(chǎn)生對應(yīng)的反物質(zhì)。兩個新的物質(zhì)粒子就這么出現(xiàn)在宇宙當(dāng)中，探測器應(yīng)該能夠測量它們。如果宇宙大爆炸后這個過程發(fā)生的次數(shù)足夠多，我們就能解釋那些額外的物質(zhì)從何而來。
這里需要注意的是：人類尚未觀測到兩個中子變成兩個質(zhì)子。先期試驗和理論計算表明，這個過程更有可能發(fā)生在特定的原子當(dāng)中，比如鍺原子和氙原子。當(dāng)鍺原子中的兩個中子變成質(zhì)子時，該原子就會變成新的元素硒。
在《自然》雜志（Nature）近期發(fā)表的一篇論文中，研究人員利用超靈敏探測器的測量結(jié)果計算得出，如果是通過這個過程，一塊鍺晶體將需要超過10的25次方年才能讓自己的一半衰變成硒。這個時間是宇宙本身年齡的10的15次方倍。
“這的確是一種非常罕見的事件。”鍺探測器陣列（GERDA）研究團隊的物理學(xué)家彼得·格拉貝梅（Peter Grabmayr）如是說，該團隊正是上述論文的作者。
放置鍺晶體的銅質(zhì)底座。
格拉貝梅并沒有對這樣小的機率感到沮喪，他說，我們不需要等到半塊鍺晶體衰變成硒后才能確認(rèn)這個過程的確會發(fā)生。我們只需要檢測到一些原子發(fā)生衰變就夠了。
只要80磅的結(jié)晶體中有任何一個鍺原子衰變成了硒，研究人員就能檢測到兩個電子出現(xiàn)時所發(fā)出的能量，它們會以光的形式被儀器探測到。為了避免其他輻射源（比如宇宙射線）干擾探測器，研究人員把鍺晶體放在一個裝著液態(tài)氬的大桶當(dāng)中，而桶則被置于意大利中部某座山的一英里地下。
林肯表示，物理學(xué)家仍然有可能永遠(yuǎn)無法檢測到該過程?！暗@只是一種觀點。”他說，“我不會支持它，如果這樣的實驗證明我的直覺錯了，我不會感到震驚?！?/span>
與此同時，物理學(xué)家正在研究能夠解釋為什么宇宙是由物質(zhì)組成的其他潛在過程。特別是，他們希望發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)跟物質(zhì)的所有不同之處，因為任何差異都可能揭示為什么兩者在早期宇宙中的命運出現(xiàn)偏離。
去年12月，歐洲核子研究中心（CERN）的“阿爾法實驗”對反氫（即對應(yīng)氫的反物質(zhì)）的性質(zhì)進行了測量，但沒有發(fā)現(xiàn)它跟氫有任何意料之外的差異。今年1月，大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一種名為lambda-b重子的粒子發(fā)生衰變時，其衰變產(chǎn)物的角分布跟對應(yīng)反物質(zhì)的衰變產(chǎn)物存在細(xì)微差異。
在接下來的10年里，費米實驗室計劃在從伊利諾伊州到南達(dá)科他州的地下建設(shè)名為“深度地下中微子實驗”（DUNE）的粒子加速器，其長度為800英里。林肯表示，該實驗的目的是長距離地發(fā)射中微子以及反中微子。如果中微子跟反中微子的表現(xiàn)有所不同，那可能讓我們找到宇宙中物質(zhì)數(shù)量超過反物質(zhì)的另一種解釋。
格拉貝梅稱，即使實驗沒有發(fā)現(xiàn)任何差異，他們的搜尋也是有用的。這些工作的全部意義就在于搞清楚支配宇宙的法則，如果格拉貝梅支持的那種特定過程不存在，他們?nèi)匀豢梢岳眠@個“不存在”來排除很多理論。
在未來一兩年，格拉貝梅的研究團隊打算繼續(xù)觀測鍺的放射性衰變。最終，他們希望在探測器中使用一噸的鍺。更多的鍺意味著發(fā)生放射性衰變的可能性越大。“我們會在某個階段檢測到它?！备窭惷氛f道。但現(xiàn)在，他們拭目以待。
翻譯：何無魚
來源：WIRED
