幾十年來，理論物理學(xué)家提出了許多可能的理論，其中大多數(shù)涉及到宇宙中某些未知粒子的存在。就在不久前，科學(xué)家們宣布了一些很有吸引力的發(fā)現(xiàn)，指向了一種可能的解釋理論，不過他們的數(shù)據(jù)并未給出明確的結(jié)果。無論最終的答案如何，這個(gè)問題的解決可能會告訴我們更多，比如揭示宇宙最早時(shí)期的秘密，甚至將現(xiàn)有的物理學(xué)與看不見的暗物質(zhì)聯(lián)系起來，而不僅僅是解釋宇宙為什么由物質(zhì)組成。
大多數(shù)關(guān)于物質(zhì)是如何在數(shù)量上完全壓制反物質(zhì)的理論可以分為兩大陣營。一種理論是電弱重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制（electroweak baryogenesis，簡稱EWBG）。該理論假設(shè)了另外的希格斯玻色子版本，而希格斯玻色子與一切物質(zhì)如何獲得質(zhì)量有關(guān)。如果存在其他版本的希格斯玻色子，那它們可能就會在宇宙早期引發(fā)一場突然的相變，類似于水從液體到氣體的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而導(dǎo)致宇宙中物質(zhì)略多于反物質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)接觸時(shí)，它們會相互湮滅，因此年輕宇宙中的大部分物質(zhì)都會消失，只留下少量剩余物質(zhì)，形成我們周圍的星系、恒星和行星。
另一種主導(dǎo)的理論是“輕子生成理論”（leptogenesis），其基礎(chǔ)是中微子。這些粒子比夸克輕得多，飄渺地穿過宇宙，幾乎從不會停下來與任何東西發(fā)生作用。基于這些性質(zhì)，我們設(shè)想在已知的常規(guī)中微子之外，還存在著非常重的中微子，它們是如此龐大，以至于只能由大爆炸后的巨大能量和溫度形成，而當(dāng)時(shí)的宇宙溫度極高，密度極大。該理論認(rèn)為，當(dāng)這些粒子不可避免地分裂成更小、更穩(wěn)定的粒子時(shí)，它們可能會產(chǎn)生比反物質(zhì)稍微多一點(diǎn)的物質(zhì)，從而形成我們今天看到的這種不對稱的情況。
一個(gè)實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)謎題
最近，日本T2K實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家們宣布了一個(gè)消息，為輕子生成理論提供了很有前景的證據(jù)支持。這個(gè)實(shí)驗(yàn)觀察到，中微子在地下300公里的傳播過程中，在三種不同的味之間發(fā)生變化——這種中微子特有的能力被稱為振蕩。T2K實(shí)驗(yàn)的研究人員在中微子中發(fā)現(xiàn)了比反中微子更多的振蕩，表明兩者不單單是互為鏡像，而且在實(shí)際行為上也有所不同。粒子及其對應(yīng)的反物質(zhì)之間的差異被稱為“CP破壞”，被認(rèn)為是探索宇宙誕生后物質(zhì)如何超越反物質(zhì)的重要線索。
該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)以95%的置信度排除了中微子沒有CP破壞的可能性，這也暗示了中微子允許顯示出CP破壞的最大可能性。不過，我們還需要更多的數(shù)據(jù)，也許還需要未來進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)，才能精確地測量中微子和反中微子之間的差異。
即使物理學(xué)家最終發(fā)現(xiàn)了中微子的CP破壞，他們也不可能完全解決宇宙中缺乏反物質(zhì)的問題。這樣的發(fā)現(xiàn)對于證明輕子生成理論是“必要的，但還不夠”。該理論的另一個(gè)要求是，中微子和反中微子其實(shí)是同一種粒子。這種明顯的矛盾可能嗎？物質(zhì)與反物質(zhì)除了電荷相反之外，其他特征都是相同的，因此沒有電荷的中微子可能同時(shí)具有這兩種性質(zhì)。
如果這種可能性被證實(shí)，那也就可以解釋為什么中微子這么輕——大約不到電子質(zhì)量的六萬分之一。如果中微子和反中微子是一樣的，它們可能不會像大多數(shù)粒子那樣通過與希格斯場（與希格斯玻色子有關(guān)）的相互作用而獲得質(zhì)量，而是通過另一種稱為蹺蹺板機(jī)制（seesaw mechanism）的過程。它們微小的質(zhì)量與早期宇宙中產(chǎn)生的重中微子的質(zhì)量成反比，一個(gè)上升，另一個(gè)就下降，就像蹺蹺板一樣。
輕子生成理論是一個(gè)非常優(yōu)雅的解釋方式。首先，這回答了為什么物質(zhì)比反物質(zhì)多；其次，這也解釋了為什么中微子的質(zhì)量這么小。中微子本身就是其對應(yīng)反物質(zhì)的證據(jù)，可能來自于一項(xiàng)名為“無中微子雙貝塔衰變”的理論反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，這種反應(yīng)只有在中微子能夠像物質(zhì)和反物質(zhì)接觸時(shí)那樣自我湮滅的情況下才會發(fā)生。然而，即使發(fā)現(xiàn)了這種情況，也不能完全證明輕子生成理論。
與暗物質(zhì)的連接
物理學(xué)家表示，另一種理論選擇——電弱重子數(shù)產(chǎn)生機(jī)制——可能更容易研究。盡管在輕子生成過程中產(chǎn)生的重中微子很可能超出了粒子加速器的能力范圍，但該理論預(yù)測的另一些希格斯玻色子可能會出現(xiàn)在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上。即使對撞機(jī)不能直接制造出希格斯玻色子的其他版本，但它們也可能與傳統(tǒng)希格斯玻色子發(fā)生微妙但可探測的相互作用。
電弱重子的形成也需要宇宙中額外的CP破壞，但并不一定與中微子有關(guān)。事實(shí)上，在夸克中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了CP破壞現(xiàn)象，盡管數(shù)量很小，還不足以解釋物質(zhì)-反物質(zhì)的不平衡。這一理論缺失的CP破壞可能隱藏在所謂的“黑暗部分”——有理論認(rèn)為構(gòu)成宇宙空間中大部分物質(zhì)的其實(shí)是暗物質(zhì)。也許暗物質(zhì)和暗反物質(zhì)的行為不同，而這種不同可以解釋我們所知道的宇宙。
電弱重子產(chǎn)生機(jī)制的證據(jù)不僅可以通過探測額外的希格斯粒子獲得，還可以通過大量尋找暗物質(zhì)和“暗領(lǐng)域”的實(shí)驗(yàn)獲得。此外，如果宇宙相變發(fā)生在大爆炸后不久，就像理論假設(shè)的那樣，便可能會產(chǎn)生引力波。我們或許可以在未來的實(shí)驗(yàn)中探測到這些引力波，比如通過激光干涉空間天線（LISA），一種基于太空的引力波探測器，將于本世紀(jì)30年代發(fā)射。
不過，宇宙最終也可能出乎我們的意料，也許輕子生成和電弱重子生成都沒有發(fā)生。例如，科學(xué)家最近在研究一個(gè)涉及質(zhì)子和中子內(nèi)部夸克強(qiáng)相互作用中CP破壞的模型，其他理論物理學(xué)家也在研究許多不同的理論。
與此同時(shí)，對中微子CP破壞的最終測量已經(jīng)指日可待。即將進(jìn)行的項(xiàng)目，如深地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）和T2K的繼任實(shí)驗(yàn)“超級神岡探測器”（Hyper-Kamiokande，簡稱Hyper-K）等，應(yīng)該都具有精確計(jì)算所需的靈敏度。T2K實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)看起來非常有意思，在即將到來的下一代實(shí)驗(yàn)中，還會有一些更有趣的東西值得研究，這讓科學(xué)家們非常興奮。
