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「天文在线」为什么在宇宙中物质比反物质多？或许中微子可以告诉我们答案

宇宙的本质是对称的 ， 那么物质世界之外是否存在着一个反物质世界？
宇宙中充满了物质 ， 但我们并不知道为什么 。 我们知道物质是怎样被创造出来的 ， 甚至可以在实验室中创造物质 ， 但有一个问题：每次在粒子加速器中创造物质时都会得到相等数量的反物质 。 这在实验室中完全没问题 ， 但如果大爆炸产生了同等数量的物质和反物质 ， 则此二者早就已经相互湮灭 ， 并且偌大的宇宙中留存的只是无穷无尽的光子 ， 遍无物质 。 但你能够读到这里 ， 显然上述假设并没有发生 。
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这仍然是宇宙学中最大的谜团之一 ， 而这一切都归因于物理学中的对称性 ， 物理学中很大一部分都扎根于守恒和对称性原理 。 空间似乎在所有方向上都是一样的 ， 所以动量是守恒的 。 这意味着如果你向空无一物的空间内掷一个球 ， 它会以这种方式无休止地运动下去 。 时间的对称性意味着质能守恒等等 。 对称性和守恒之间的联系最初是由艾米?诺特发现的 ， 现在被称为诺特定理 。
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物理学中对称的例子：因为对称性是物理学的根基 ， 已经有大量的研究落在了观测对称性如何以及何时会被打破 。 这在粒子物理学中尤为真实 。 因为粒子是在宇宙形成的初期被创造出来的 ， 这也有助于我们理解宇宙是如何形成的 。 在宇宙学中 ， 最重要的是CP对称 。
CP代表电荷奇偶性 ， 它代表了两种对称的组合 。 电荷对称意味着一个完全由物质构成的宇宙和一个由反物质构成的宇宙应该以同样的方式运行 。 也就是说 ， 它们应该是对称的 。 奇偶性可以描述为镜像 。 如果你照镜子时举起右手 ， 你的形象就会举起左手 。 奇偶性对称意味着 ， 如果宇宙中的左右进行了颠倒 ， 什么也不会改变 。
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如果CP对称性始终存在 ， 那我们的物质宇宙就不可能存在 。 但我们知道CP对称性有时会遭到破坏 。 例如 ， 在1964年 ， 人们发现一种名为Kaon的中性粒子有两种类型 ， 即彼此的CP相互对偶 。 如果CP对称性是保守的 ， 那么这两种Kaon应以相同的速率衰减 ， 但发现这两种Kaon的衰减速率存在轻微不同 ， 两者的差异在1000中大约只有3个部分 ， 但不是没有 。
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【「天文在线」为什么在宇宙中物质比反物质多？或许中微子可以告诉我们答案】一个Kaon会衰变为介子和光图片：K.Tobioka佛罗里达州大学
还有其他已知的例子 ， 但问题是 ， 即使你把它们全部结合起来 ， 也不足以解释只有一个宇宙的问题 。 至少必须有另一种方式违反CP对称性 。 基于发表在《自然》杂志上的研究 ， 答案可能是中微子 。
中微子没有电荷 ， 但它们确实存在于物质和反物质形式中 ， 所以CP对称性仍然适用于它们 。 问题是他们很难被发现 。 即使你无法检测到它们 ， 也很难区分中微子和反中微子 。
在最近的工作中 ， T2K协作将中微子束发射到探测器中 。 T2K代表T ， 神冈中的kai ， 因为粒子加速器位于日本T所在的村庄 ， kai和中微子探测器在神冈 。 由于该小组控制中微子束 ， 他们可以分辨出它们是在探测中微子还是反中微子 。 在十多年的数据收集中 ， 他们发现了一种被称为中微子振荡的CP破坏 。
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物质中微子比反物质中微子更容易出现 。 图片：T2K协作
中微子具有奇怪的性质 ， 其中最奇怪的是振荡 。 结果是中微子有三种类型或品种 ， 中微子可以在每种类型之间来回振荡 。 根据CP对称性 ， 中微子和反中微子都应该以相同的速率振荡 。 但是T2K团队发现它们以不同的速率振荡 。 它们的速率是不同的 ， 以至于它们几乎是最不对称的 。 结果 ， 你更可能看到物质中微子而不是反物质中的微子 。


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