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早期宇宙可能充当了一个超级对撞机

2022-10-15 21:22    126次

宇宙在其存在的早期,即大爆炸后不久,充满了同等数量的物质和“反物质”--作为物质的对应物但具有相反电荷的粒子。然后,随着空间的扩张,宇宙冷却了。今天的宇宙充满了基于物质的星系和恒星。物质是如何在宇宙中占主导地位的,反物质又去了哪里?科学家们仍然对物质的宇宙起源感到疑惑。

ezgif-4-cd5e9d31e6.gif© 由 cnBeta.COM 提供

通过引用“宇宙学对撞机”,来自加州大学河滨分校和清华大学的物理学家现在为研究物质的宇宙起源开辟了一条新途径。

高能对撞机,如大型强子对撞机,被设计用来产生非常重的亚原子基本粒子,可能揭示新的物理学。然而,某些新物理学,如解释暗物质和物质起源的物理学,可能涉及更重的粒子,需要比人类制造的对撞机所能提供的更多能量。事实证明,早期宇宙可能充当了一个超级对撞机。

加州大学物理学和天文学的研究人员解释说,宇宙膨胀,即宇宙以指数增长的速度膨胀的时期,通常被认为是在大爆炸之前。

 

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Yanou-Cui.jpg© 由 cnBeta.COM 提供

“宇宙膨胀提供了一个高能量的环境,使重的新粒子的产生以及它们的相互作用成为可能,”研究人员说。"膨胀宇宙的行为就像一个宇宙学对撞机,只是能量比任何人类制造的对撞机都要大100亿倍"。

根据研究人员的说法,当宇宙膨胀时,由膨胀期间的高能事件形成的微小结构被拉伸,导致在一个原本均匀的宇宙中出现不同密度的区域。这些微观结构随后成为我们宇宙大规模结构的种子,这在今天被视为整个天空中的星系分布。研究人员指出,分析宇宙对撞机在今天的宇宙内容中的印记,如星系和宇宙微波背景,可能会发现新的亚原子粒子物理学。

加州大学的研究人员和清华大学物理学助理教授鲜于中之在《物理评论快报》杂志上报告说,通过应用宇宙学对撞机的物理学,并利用即将进行的SPHEREx和21厘米线断层扫描等实验的精确数据来测量我们的宇宙结构,物质的宇宙起源之谜可能会被揭开。

研究人员说:“我们今天的宇宙是由物质主导的,这一事实仍然是现代物理学中最令人困惑的长期之谜。早期宇宙中物质和反物质之间的微妙不平衡或不对称性是实现今天的物质主导地位所必需的,但在已知的基础物理学框架内无法实现。”

研究人员提议测试leptogenesis,这是一个众所周知的机制,可以解释我们宇宙中重子--可见气体和恒星--不对称的起源。如果宇宙开始时有等量的物质和反物质,它们就会相互湮灭成光子辐射,什么都不留下。由于今天物质远远超过了反物质,所以需要不对称性来解释这种不平衡。

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medium.png© 由 cnBeta.COM 提供

研究人员指出:“Leptogenesis是产生物质-反物质不对称的最有说服力的机制之一。它涉及一种新的基本粒子,即右手中微子。然而,人们长期以来认为,测试轻子发生几乎是不可能的,因为右手中微子的质量通常是有史以来最高能量的对撞机--大型强子对撞机--所不能达到的许多数量级。”

这项新工作提议通过解码今天观察到的宇宙结构中天体空间分布的详细统计特性来测试轻子发生,这让人想起宇宙膨胀期间的微观物理。研究人员认为,宇宙学对撞机效应使得在通货膨胀时代能够产生超重的右手中微子。

“具体来说,我们证明了不对称性产生的基本条件,包括右手中微子的相互作用和质量,它是这里的关键角色,可以在星系或宇宙微波背景的空间分布统计中留下独特的指纹,并且可以被精确测量,”研究人员说。“预计未来几年的天体物理学观测有可能探测到这种信号,并揭开物质的宇宙起源。”

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