宇宙中物質與反物質為何不對稱？答案或在引力波

現有的宇宙大爆炸理論認為，我們身處的宇宙源于138億年前的一次大爆炸，但這一理論也認為，大爆炸時產生了等量的物質和反物質，而正反物質相遇時會彼此湮滅，使一切煙消云散。

但宇宙間的萬事萬物又的確存在，這中間發生了什么曲折離奇的故事呢？美國、日本和加拿大科學家近日提出的一項新理論認為，早期宇宙發生的相變使中微子衰變成更多粒子(數量比反粒子多)，致使正反物質的數量出現偏差。這一相變也會產生“宇宙弦”，而宇宙弦會產生引力波，探測到這些引力波，或可揭示正反物質不對稱之謎。

對此，中國科學技術大學物理學院天文系教授蔡一夫對科技日報記者說：“即便觀測到宇宙弦產生的引力波，可能還需很多條件才能進一步證實上述觀點。不過，這提供了一種解決正反物質不對稱之謎的新思路。”

中微子“挺身而出”

現代宇宙學大爆炸理論認為，大爆炸之初，宇宙中產生了等量的物質和反物質。如果“劇情”一直這樣發展下去，那么，物質和反物質最終會“狹路相逢”，彼此湮滅。

但實際上，現在我們身處的宇宙中滿天繁星，充滿了各種物質，這就與上述理論產生了矛盾。因此，為使宇宙得以存在，必須要有少量反物質轉化為物質，使正反物質數量不平衡。科學家認為，物質的數量只需比反物質多十億分之一就可以讓宇宙存在。

但正反物質之間這種不平衡是何時以及如何出現的？目前仍是未解之謎，這也是宇宙間最大的謎團之一。美國加州大學伯克利分校博士后研究員杰夫·德羅說：“這個問題很難回答。”

鑒于物質和反物質電荷相反，因此除非它們呈電中性，否則它們不會相互轉化。中微子是我們迄今已知唯一呈電中性的物質粒子，科學家對它寄予厚望，認為它是完成這一神圣使命的“不二人選”。

目前已知存在3種中微子：電子中微子、繆子中微子和陶子中微子。但有科學家提出，可能存在第四種中微子：惰性中微子。

還有些科學家認為，宇宙暴脹后經歷了一個相變，使早期宇宙中產生的惰性中微子衰變出更多粒子(數量比反粒子多)，讓物質和反物質的數量得以“重新洗牌”。

最新研究合作者、加拿大粒子物理與原子核物理實驗室(TRIUMF)博士后格雷厄姆·懷特表示：“當宇宙的溫度為今天宇宙中最熱地方溫度的1012倍—1024倍時，中微子的‘行為舉止’或許可以確保宇宙存在。”

引力波“曲線救國”

那么，如何探測到這些惰性中微子呢？

研究人員表示，現在科學家無法直接觀測到惰性中微子，因為通過實驗制造出惰性中微子，需要一個比大型強子對撞機強大許多的粒子加速器，所以只能通過間接方法，探測宇宙弦產生的引力波或是一種“曲線救國”之法。

論文合著者、日本東京大學卡夫里宇宙物理與數學研究所首席研究員村山瞳說：“早期宇宙的這次相變可能創造出了宇宙弦，這些宇宙弦實質上是時空的拓撲缺陷。”

蔡一夫對科技日報記者解釋說：“相變在我們日常生活中比比皆是，例如水凍成冰、鐵磁體變成順磁體等。我們的宇宙所經歷的歷史就是一個不斷發生相變的熱膨脹歷史，在這個過程中有基本粒子的產生，基本粒子凝合成元素，元素最后結合出我們見到的熟悉的物質結構。”

蔡一夫進一步指出：“相變過程伴隨著能量釋放，宇宙弦就是宇宙經歷相變時釋放能量形成的一根根與當時的宇宙尺度相當的繩子一樣的能量結構。”

德羅和村山瞳等人認為，隨著這些宇宙弦不斷演化，會產生引力波，且產生引力波的頻譜與黑洞并和等天體物理源產生引力波的頻譜截然不同。未來的引力波觀測臺，例如即將于2020年中期啟用的“平方公里陣列”(SKA)、擬于2034年發射的歐洲航天局的“空間天線激光干涉儀”(LISA)、日本宇宙探索局的分赫茲干涉引力波天文臺(DECIGO)等，或許可以探測到這些引力波。

研究人員表示，找到這些宇宙弦產生的引力波還有其他用途，例如找到宇宙弦產生的高能中微子，更精確確定已知中微子的質量等。

對此，蔡一夫認為：“宇宙弦產生引力波并不意外，只是我們還沒有幸運地發現其‘倩影’。而且，即便我們探測到宇宙弦，宇宙弦的產生機制也并非唯一，還需要確認背后的相變過程才能證實上述觀點。”

另外，蔡一夫強調說：“宇宙弦如果帶電的話，可以利用多信使天文檢測手段，如快速射電暴的觀測來檢驗這些超導的宇宙線，從而更立體、更清晰地分辨宇宙相變的‘蛛絲馬跡’。”