科學研究驚喜不斷,現在一個國際研究小組的一項新研究表明:時空的漣漪引力波可能包含另一個證據,證明正物質之所以能在宇宙大爆炸中幸存下來,是因為相變能讓(允許)中微子重新洗牌正物質和反物質。在科幻小說或好萊塢電影中,萬物是如何被從一場徹底的毀滅中拯救出來,這並不是一個問題。根據現代宇宙學的宇宙大爆炸理論,(正)物質與反物質等量,如果它們一直保持這種狀態。

物質和反物質最終應該會相遇並一對一地湮滅,導致徹底的湮滅,那麼宇宙將空蕩蕩的,也就不會有星系、恒星、黑洞、行星和地球億萬物種生命瞭!但是,宇宙萬物卻實實在在的存在與這一理論相矛盾,為瞭克服正反物質徹底的湮滅,宇宙必須將少量的反物質轉化為(正)物質,造成正反物質之間的不平衡。理論研究表明,所需的失衡隻要十億分之一,但這種不平衡是在什麼時候以及如何造成的,這仍然是一個未知的謎。

研究的合著者、加州大學伯克利分校博士後研究員、勞倫斯·伯克利國傢實驗室物理研究員傑夫·德羅(Jeff Dror)表示:一旦我們回顧宇宙誕生的後約100萬年,它對光線就變得不透明瞭,這使得‘我們為什麼會在這裡?這個根本問題很難回答。由於(正)物質和反物質具有相反的電荷,除非它們是電中性的,否則它們不能相互轉化。中微子是我們所唯一的電中性物質粒子,所以中微子是完成這項使命的最強競爭者。

許多研究人員支持的一個理論是:宇宙經歷瞭一次相變,因此中微子可以重新洗牌正物質和反物質。相變就像沸水變成水蒸氣,或者把水冷卻成冰,物質的行為在稱為臨界溫度的特定溫度下發生變化。當某種金屬冷卻到較低溫度時,它通過相變完全失去電阻,成為超導體,也是用於癌癥診斷的磁共振成像(MRI)或磁懸浮技術的基礎,還能使列車漂浮起來,使其能夠以每小時480km的速度運行,而不會導致頭暈。

研究的合著者、加州大學伯克利分校麥克亞當斯物理學教授、東京大學卡夫利宇宙物理與數學研究所首席研究員、勞倫斯·伯克利國傢實驗室資深教職科學傢村山秀史解釋說:就像超導體一樣,早期宇宙中的相變,可能創造瞭一種叫做宇宙弦的非常細的磁場管。研究人員相信宇宙弦然後試圖簡化自己,導致稱為引力波的時空微小波動。對於幾乎所有可能的臨界溫度,未來的太空天文臺:

如LISA、BBO(歐洲航天局)或DECIGO(日本宇航探索局)都可以探測到這些溫度。研究的合著者格雷厄姆·懷特(Graham White)表示:引力波的發現為我們提供瞭一個新機會,可以進一步回顧某個時間,因為宇宙從一開始就對引力是“透明”的。當宇宙誕生之初的溫度,可能比今天宇宙中最熱的地方高出一萬億到一千萬億倍時,中微子的行為,很可能就是確保宇宙正物質能存在所需的方式。

該研究證明:可能還留下瞭一個可檢測到的引力波漣漪背景。宇宙弦曾經作為一種在質量密度上產生微小變化的方式很受歡迎,這些物質密度最終變成瞭恒星和星系,但由於此前研究的數據排除瞭這個想法,它消亡瞭。該研究所負責日本的引力波探測器KAGRA和超神岡實驗,東京大學宇宙線研究所的博士後研究員平松隆說:現在,隨著新研究的進行,這個想法又回來瞭,原因不同瞭,這是令人興奮的!

日本高能加速器研究組織理論中心副教授Kazunori Kohri表示:來自宇宙弦的引力波頻譜與黑洞合並等天體物理源的光譜非常不同,所以我們完全有可能相信,這個源確實是宇宙弦。如果能知道宇宙正物質為什麼存在,那將會非常令人興奮,這是科學界的終極問題之一!該研究成果作為編輯推薦已發表在《物理評論快報》期刊上。

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博科園|研究/來自:卡夫裡宇宙物理與數學研究所

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.041804

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