寻找宇宙丢失的另一半

当一个炽热、致密的奇点发生爆炸时，宇宙中的第一批粒子就形成了。物理学家认为，在大爆炸那种极端条件下，光转化成了物质，即后来构成你我以及世间万物的电子、质子和中子。

但是，物理学家并不知道那种转化是如何发生的。在上世纪90年代，物理学家发现，他们可以通过让两束高能光束发生碰撞，把光转化为物质。

他们还发现，光会同时产生数量相同的反物质。宇宙中的首批物质粒子跟它们的“镜像”反物质粒子理应在一场毁天灭地的爆炸中湮灭，物质本不应该存在。

然而，显而易见的是，物质是存在的。出于某种原因，宇宙大爆炸之后形成的物质数量超过了反物质，而物理学家不知道为什么。“这是宇宙中最大的谜团之一。”美国能源部下属费米实验室（Fermilab）的物理学家多恩·林肯（Don Lincoln）如是说。

过去50年里，物理学家一直在实验室和方程式中寻找着答案。这里有一个候选对象：一些人预测，有一种放射性过程能够把原子内的两个中子变成两个质子。该过程名为“无中微子双β衰变”，理论物理学家认为，它可以产生两个电子，但不会产生对应的反物质。两个新的物质粒子就这么出现在宇宙当中，探测器应该能够测量它们。如果宇宙大爆炸后这个过程发生的次数足够多，我们就能解释那些额外的物质从何而来。

这里需要注意的是：人类尚未观测到两个中子变成两个质子。先期试验和理论计算表明，这个过程更有可能发生在特定的原子当中，比如锗原子和氙原子。当锗原子中的两个中子变成质子时，该原子就会变成新的元素硒。

在《自然》杂志（Nature）近期发表的一篇论文中，研究人员利用超灵敏探测器的测量结果计算得出，如果是通过这个过程，一块锗晶体将需要超过10的25次方年才能让自己的一半衰变成硒。这个时间是宇宙本身年龄的10的15次方倍。

“这的确是一种非常罕见的事件。”锗探测器阵列（GERDA）研究团队的物理学家彼得·格拉贝梅（Peter Grabmayr）如是说，该团队正是上述论文的作者。

放置锗晶体的铜质底座。

格拉贝梅并没有对这样小的机率感到沮丧，他说，我们不需要等到半块锗晶体衰变成硒后才能确认这个过程的确会发生。我们只需要检测到一些原子发生衰变就够了。

只要80磅的结晶体中有任何一个锗原子衰变成了硒，研究人员就能检测到两个电子出现时所发出的能量，它们会以光的形式被仪器探测到。为了避免其他辐射源（比如宇宙射线）干扰探测器，研究人员把锗晶体放在一个装着液态氩的大桶当中，而桶则被置于意大利中部某座山的一英里地下。

林肯表示，物理学家仍然有可能永远无法检测到该过程。“但这只是一种观点。”他说，“我不会支持它，如果这样的实验证明我的直觉错了，我不会感到震惊。”

与此同时，物理学家正在研究能够解释为什么宇宙是由物质组成的其他潜在过程。特别是，他们希望发现反物质跟物质的所有不同之处，因为任何差异都可能揭示为什么两者在早期宇宙中的命运出现偏离。

去年12月，欧洲核子研究中心（CERN）的“阿尔法实验”对反氢（即对应氢的反物质）的性质进行了测量，但没有发现它跟氢有任何意料之外的差异。今年1月，大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）发现，当一种名为lambda-b重子的粒子发生衰变时，其衰变产物的角分布跟对应反物质的衰变产物存在细微差异。

在接下来的10年里，费米实验室计划在从伊利诺伊州到南达科他州的地下建设名为“深度地下中微子实验”（DUNE）的粒子加速器，其长度为800英里。林肯表示，该实验的目的是长距离地发射中微子以及反中微子。如果中微子跟反中微子的表现有所不同，那可能让我们找到宇宙中物质数量超过反物质的另一种解释。

格拉贝梅称，即使实验没有发现任何差异，他们的搜寻也是有用的。这些工作的全部意义就在于搞清楚支配宇宙的法则，如果格拉贝梅支持的那种特定过程不存在，他们仍然可以利用这个“不存在”来排除很多理论。

在未来一两年，格拉贝梅的研究团队打算继续观测锗的放射性衰变。最终，他们希望在探测器中使用一吨的锗。更多的锗意味着发生放射性衰变的可能性越大。“我们会在某个阶段检测到它。”格拉贝梅说道。但现在，他们拭目以待。

翻译：何无鱼

来源：WIRED

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