被物理学界遗忘的粒子，可能解释了宇宙为何存在

新理论称，一种“解耦重中微子”曾短暂主导早期宇宙，改写了物质与反物质的命运。

科学家们为宇宙为何存在提出了一个令人惊讶的新解释，其核心是一种物理学家数十年来基本忽视的神秘粒子。他们的理论认为，这种被遗忘的粒子可能在塑造早期宇宙、并让物质在大爆炸后得以存留方面发挥了关键作用。

这项研究涉及物理学中最根本的谜团之一：为什么宇宙中存在物质，而不是空无一物？科学家认为，在早期宇宙中，物质和反物质几乎等量产生。当这些相反的存在相遇时，它们会湮灭并释放能量。如果它们最初的数量完全相等，那么几乎所有物质都可能消失，不会留下任何物质来形成恒星、行星或生命。

如今，来自南安普顿大学和印度理工学院坎普尔分校的研究人员认为，他们可能找到了这个谜题的重要一环。他们的解释涉及一种人们知之甚少的中微子近亲——中微子是一种极轻、很少与普通物质发生相互作用的粒子。

一种被遗忘却在早期宇宙中作用强大的粒子

研究团队聚焦于一种被称为“解耦”重中微子的粒子。与普通中微子不同，这种假设中的更重近亲通常被认为与其他粒子的联系太弱，无法对宇宙产生显著影响。

然而，研究人员发现，它异常长的寿命可能使其远比此前认为的重要。根据他们的计算，在大爆炸后宇宙冷却的过程中，这种粒子可能存活得足够久，从而暂时主导了宇宙的能量密度。

这段短暂的主导期可能改变了早期宇宙的演化方式，影响了最终让物质数量超过反物质的条件。

该研究作者之一、南安普顿大学的里沙夫·罗尚博士解释说：

“这种解耦重中微子长期以来一直被视为粒子物理学中一个无关紧要的背景细节。

“然而，它衰变得极其缓慢。随着大爆炸后宇宙冷却，这种粒子存活得足够久，以至于暂时接管了宇宙的能量密度，并引发了一个物质主导时期。”

这些发现发表在《物理评论快报》上，这是美国物理学会的一份科学期刊。

重中微子如何解释物质为何得以存留

此前试图解释物质为何战胜反物质的尝试，通常都没有考虑解耦重中微子。由于它与其他粒子的相互作用如此微弱，科学家假设它对造成这种不平衡的过程影响很小。

这项新研究挑战了这一假设。研究团队发现，即使是一种相互作用极弱的粒子，也可能间接影响物质获得关键优势所需的条件。

这种不平衡被称为物质-反物质不对称，对理解我们的存在至关重要。由于物理学家仍在尝试解释的原因，早期宇宙最终产生的物质略多于反物质。正是这一微小差异，使得在大多数粒子与其反粒子相互湮灭后，仍有一些物质得以留存。

“我们能够存在这一事实本身就证明，物质与反物质之间出现了不对称，”罗尚博士补充说。

“这种解耦中微子改变了早期宇宙中基本粒子——如电子和其他轻子——在标准模型希格斯玻色子帮助下与其反粒子相互作用的温度。

“这个温度就像一个开关，决定了物质-反物质不平衡是如何建立起来的。”

希格斯玻色子是一种基本粒子，与赋予许多基本粒子质量的机制有关。在研究人员提出的情景中，重中微子改变了涉及希格斯玻色子的重要粒子相互作用所处的温度条件。

通过改变这些相互作用发生的时间，这种粒子可能影响了物质与反物质之间不平衡的发展方式。换句话说，某种长期被认为无足轻重的东西，可能帮助决定了宇宙为何包含物质。

远古引力波或能揭示答案

该理论还可能对理解宇宙在最早阶段如何膨胀具有重要意义。

研究共同作者、印度理工学院坎普尔分校的苏迪普塔·肖博士表示，研究结果表明，这种被遗忘的粒子可能极大改变了年轻宇宙的膨胀历史。

他补充说：“它为我们提供了一种关于物质如何胜出的新解释。

“早期宇宙膨胀中的剧烈变化留下了独特但可探测的变化印记，例如在原初引力波上。

“这些引力波特征为我们揭开大爆炸后早期宇宙演化之谜开辟了新途径。”

引力波是时空结构中的涟漪。科学家认为，极早期宇宙中的过程可能产生了原初引力波，这些波携带着关于那个遥远时代条件的信息。

根据这一新理论，重中微子的暂时主导可能在那些古老信号中留下了可识别的特征。探测到这类模式，最终可能提供一种方法来研究这种假设中的粒子是否真的影响了宇宙最早的演化。

目前，这一解释仍停留在理论阶段。但它为物理学家解决宇宙学最深奥的谜团之一提供了新的可能性：当物质与反物质的相遇本可能让宇宙几乎完全空无一物时，物质究竟是如何存留下来的。

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