宇宙一开始既有物质又有反物质，后来就只剩下了物质，为什么

新浪科技讯北京时间4月27日，据外媒报道，为什么今天的宇宙是由物质组成的，而不是反物质？中微子研究的新证据为解决这个难题提供了线索。

宇宙一开始既有物质又有反物质，然后只剩下物质。为什么？这个问题是物理学中最难的谜团之一。几十年来，理论物理学家提出了许多可能的理论，其中大部分都涉及到宇宙中某些未知粒子的存在。不久前，科学家宣布了一些有吸引力的发现，指出了一种可能的解释理论，但他们的数据没有给出明确的结果。不管最后的答案是什么，这个问题的解决可能会告诉我们更多，比如揭示宇宙最早时期的秘密，甚至把现有的物理学和看不见的暗物质联系起来，而不仅仅是解释为什么宇宙是由物质组成的。

大多数关于物质如何在数量上完全压制反物质的理论，可以分为两大阵营。一种理论是电弱重子数的产生机制。这个理论假设了希格斯玻色子的另一个版本，它与所有物质如何获得质量有关。如果存在其他版本的希格斯玻色子，它们可能会在早期宇宙中引发突然的相变，类似于水从液体变成气体，进而导致宇宙中物质略多于反物质。当物质和反物质接触时，它们会相互湮灭，所以年轻宇宙中的大部分物质都会消失，只留下少量的剩余物质，在我们周围形成星系、恒星和行星。

另一个占主导地位的理论是轻子生成理论，它基于中微子。这些比夸克轻得多的粒子在宇宙中漂移，几乎从未停下来与任何东西相互作用。基于这些性质，我们假设除了已知的常规中微子之外，还有非常重的中微子，大到只有在宇宙温度极高、密度极高的大爆炸之后，巨大的能量和温度才能形成。根据理论，当这些粒子不可避免地分裂成更小更稳定的粒子时，它们可能会产生比反物质多一点的物质，从而形成我们今天看到的不对称情况。

一个实验，两个谜题

最近，日本T2K实验的科学家宣布了一个消息，为轻子生成理论提供了有希望的证据支持。在这个实验中，人们观察到中微子在地下300公里的传播过程中，在三种不同的口味之间发生了变化——这种中微子的独特能力被称为振荡。T2K实验的研究人员发现中微子的振荡比反中微子多，表明它们不仅是彼此的镜像，而且实际行为也不同。粒子与其对应的反物质的区别被称为“CP毁灭”，被认为是探索宇宙诞生后物质如何超越反物质的重要线索。

目前实验已经以95%的置信度排除了中微子没有CP损伤的可能性，这也暗示了允许中微子表现出CP损伤的最大可能性。然而，我们需要更多的数据，也许在未来需要更多的实验来精确测量中微子和反中微子之间的差异。

即使物理学家最终发现了中微子的CP破坏，也不能完全解决宇宙中缺少反物质的问题。这一发现对于证明轻子生成理论是“必要的，但还不够”。这个理论的另一个要求是中微子和反中微子实际上是同一种粒子。这种明显的矛盾可能吗？物质和反物质除了电荷相反外，都具有相同的特性，所以不带电荷的中微子可能同时具有这两种性质。

如果这种可能性得到证实，就可以解释中微子为什么这么轻——不到电子质量的6万倍。如果中微子和反中微子是一样的，那么它们可能不会像大多数粒子一样，通过与希格斯场的相互作用而获得质量，而是通过另一种叫做跷跷板机制的过程。它们的微小质量与早期宇宙产生的重中微子质量成反比。一个上升一个下降，就像跷跷板一样。

轻子生成理论是一种非常优雅的解释方式。首先，这回答了为什么物质比反物质多；其次，也解释了为什么中微子质量这么小。中微子本身就是反物质的证据，可能来源于一个叫做“无中微子双β衰变”的理论反应实验。只有中微子能像物质和反物质一样自我湮灭，这种反应才会发生。但是，即使发现了这种情况，轻子生成理论也不能完全得到证明。

与暗物质的联系

物理学家说，另一个理论选择——电弱重子数的产生机制——可能更容易研究。虽然轻子产生过程中产生的重中微子很可能超出了粒子加速器的能力，但这个理论预测的其他希格斯玻色子可能会出现在大型强子对撞机上。即使对撞机不能直接产生希格斯玻色子的其他版本，它们可能与传统的希格斯玻色子有微妙但可检测的相互作用。

电弱重子的形成也需要宇宙中额外的CP破坏，但不一定与中微子有关。事实上，在夸克中已经发现了CP破坏。虽然数量很少，但不足以解释物质和反物质的不平衡。这个理论中缺失的CP损伤可能隐藏在所谓的“黑暗部分”——有一种理论认为暗物质构成了宇宙中的大部分物质空。也许暗物质和黑暗反物质的行为不同，这种差异可以解释我们所知的宇宙。

电弱重子产生机制的证据不仅可以通过探测额外的希格斯粒子获得，还可以通过大量寻找暗物质和“暗场”的实验获得。另外，如果宇宙的相变发生在大爆炸之后不久，如理论假设的那样，可能会产生引力波。我们也许可以在未来的实验中探测到这些引力波，比如通过激光干涉空天线，一种基于Tai 空的引力波探测器，将于30年代发射。

然而，宇宙最终可能出乎我们的意料。也许轻子生成和电弱重子生成并没有发生。比如科学家最近研究了一个涉及质子和中子之间强夸克相互作用中CP破坏的模型，其他理论物理学家也在研究很多不同的理论。

与此同时，中微子CP破坏的最终测量指日可待。即将到来的项目，如地下深处的中微子实验和T2K的后继实验“超级神龙”应该具有精确计算所需的灵敏度。T2K实验的数据看起来很有趣，下一代实验中还会有一些更有趣的值得研究的东西，让科学家们非常兴奋。