為什么我們的宇宙中的物質(zhì)比反物質(zhì)要多得多?這是現(xiàn)代物理學(xué)中最令人困惑的其中一個(gè)謎題,。

不知道為什么，在宇宙還是非常年輕的時(shí)候,，幾乎所有的反物質(zhì)都突然消失了,，宇宙中只留下了普通的物質(zhì)。一直以來(lái),，理論家們都在研究這一個(gè)難以捉摸的解釋,，以及構(gòu)思使用各種實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)解釋的方法。

現(xiàn)在,，三位理論家提出,，三種叫做希格斯玻色子的粒子可能是宇宙中的反物質(zhì)神秘消失的原因，并且他們認(rèn)為自己知道應(yīng)該怎樣找到這些“嫌疑犯”,。

反物質(zhì)丟失的例子

幾乎在每一次亞原子粒子的相互作用之中,，反物質(zhì)(與正常物質(zhì)相同，但帶相反的電荷)和正常物質(zhì)都會(huì)以相同的方式產(chǎn)生,。這似乎是宇宙在基本層面上的對(duì)稱,。然而，當(dāng)我們觀察宇宙的時(shí)候,，我們卻幾乎看不到任何反物質(zhì),。據(jù)物理學(xué)家所知，宇宙中的反物質(zhì)粒子和物質(zhì)粒子比例約為1：10億,。

這個(gè)謎團(tuán)有很多個(gè)名字,，比如物質(zhì)不對(duì)稱問(wèn)題和重子不對(duì)稱問(wèn)題，不過(guò)不管叫什么名字,，物理學(xué)家們都被難住了,，解釋自然是物理學(xué)家們的工作，但到目前為止,，還沒(méi)有人能夠?yàn)槲镔|(zhì)和反物質(zhì)之間的數(shù)量差異提供一個(gè)連貫一致的解釋,，這就開(kāi)始有點(diǎn)讓人惱火了,。

不過(guò)幸好，大自然給我們留下了一些線索,。例如,，所謂的宇宙微波背景(即宇宙大爆炸留下的熱量)中并沒(méi)有大量反物質(zhì)存在的證據(jù)。這表明反物質(zhì)消失這一事件發(fā)生在宇宙非常早期的時(shí)候,。早期的宇宙是一個(gè)相當(dāng)瘋狂的時(shí)候,，那時(shí)候的宇宙發(fā)生著各種各樣的復(fù)雜未知物理現(xiàn)象。所以如果物質(zhì)和反物質(zhì)要分道揚(yáng)鑣的話,，那么早期宇宙就是一個(gè)很好的時(shí)機(jī),。

希格斯玻色子

事實(shí)上，反物質(zhì)消失的最佳時(shí)間是宇宙正在逐漸冷卻,，自然界的各種力量正在不斷分裂的時(shí)候,，那是一個(gè)短暫而動(dòng)蕩的時(shí)期。

在高能量條件下(比如在粒子對(duì)撞機(jī)里),，電磁力和弱核力會(huì)結(jié)合在一起形成一種新的力：電弱力,。然而，一旦物質(zhì)冷卻下來(lái),，恢復(fù)到正常的日常能量,，電弱力才會(huì)重新分裂成我們熟悉的電磁力和弱核力。

在更高的能量條件下,，比如在宇宙大爆炸的最初時(shí)刻,，我們認(rèn)為強(qiáng)大的核力會(huì)與電弱力相結(jié)合。而在此之上更高的能量條件下,，引力也會(huì)參與到這個(gè)結(jié)合過(guò)程中來(lái),，形成一個(gè)統(tǒng)一的力。但是我們還沒(méi)有弄清楚重力會(huì)怎樣參與到結(jié)合過(guò)程中,。

在20世紀(jì)60年代,，一位科學(xué)家提出了希格斯玻色子的概念，但直到2012年,，科學(xué)家們才在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了這種粒子,，它的作用是將電磁力從弱核力中分離出來(lái)。物理學(xué)家相當(dāng)肯定,，物質(zhì)和反物質(zhì)的變化發(fā)生在四種自然力的統(tǒng)一力分解之前;這是因?yàn)槲覀儗?duì)宇宙分裂后的物理現(xiàn)象有了相當(dāng)清楚的認(rèn)識(shí),，如果后來(lái)的年代中存在太多反物質(zhì)的話就會(huì)違反我們對(duì)宇宙微波背景的觀測(cè)結(jié)果。

因此,，希格斯玻色子很有可能在反物質(zhì)消失的過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用,。

但是希格斯粒子本身并不能分離反物質(zhì);目前還沒(méi)有一種已知的機(jī)制可以只使用希格斯粒子就在物質(zhì)和反物質(zhì)之間造成不平衡。

不過(guò)幸好,，希格斯玻色子與反物質(zhì)的故事可能還遠(yuǎn)未結(jié)束,。物理學(xué)家曾經(jīng)在對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了單個(gè)質(zhì)量約為1250億電子伏特(或者說(shuō)GeV)的希格斯玻色子(作為參考,，一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量約為1gev)。事實(shí)證明,，希格斯玻色子可能并不只有一種,。

希格斯玻色子完全有可能比我們目前在實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的更大。如果存在更重的希格斯粒子的話,，那么這些粒子現(xiàn)在不會(huì)有什么作用,，它們也不會(huì)參與到任何我們可以用對(duì)撞機(jī)制造的物理過(guò)程當(dāng)中——因?yàn)槲覀儾](méi)有足夠的能量來(lái)“激活”它們。但是在宇宙的早期,，當(dāng)宇宙中的能量還是非常非常高的時(shí)候，其他的那些希格斯玻色子可能互被激活,，并且可能會(huì)在某些基本粒子相互作用中造成不平衡,，導(dǎo)致現(xiàn)在物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不對(duì)稱。

解決這個(gè)謎題

最近發(fā)表在預(yù)印平臺(tái)arXiv的一篇論文中,，三位物理學(xué)家提出了一個(gè)有趣的潛在解決方案：或許,，有三種希格斯玻色子[被稱為“希格斯三頭”(Higgs Troika)]在早期宇宙中通過(guò)某種反應(yīng)產(chǎn)生了大量的正常物質(zhì)。

在這種情況下,，這些物質(zhì)流中的大部分正常物質(zhì)將會(huì)湮滅反物質(zhì),，使反物質(zhì)在輻射洪流中幾乎完全消失。這樣的話,，足夠的正常物質(zhì)會(huì)遺留下來(lái),，演變成我們現(xiàn)在所知道的宇宙。

為了完善這一設(shè)想,，理論家們提出,，這三種希格斯玻色子包括目前已知的希格斯玻色子和兩種新的希格斯玻色子，這兩種新粒子的質(zhì)量都在1000 GeV左右,。這個(gè)質(zhì)量數(shù)字其實(shí)完全是隨機(jī)的,，之所以假設(shè)為這個(gè)數(shù)字，是為了使這個(gè)假設(shè)的希格斯玻色子有可能被下一代粒子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn),，因?yàn)轭A(yù)測(cè)一個(gè)永遠(yuǎn)無(wú)法被探測(cè)到的粒子是沒(méi)有用的,。

這樣的話，物理學(xué)家們就面臨著一個(gè)挑戰(zhàn),。無(wú)論是什么機(jī)制導(dǎo)致了物質(zhì)和反物質(zhì)之間的這種不對(duì)稱性,，這個(gè)機(jī)制都必須要讓物質(zhì)比反物質(zhì)多出10億倍;而且，在早期宇宙中,，這種機(jī)制只有一個(gè)非常短的時(shí)間窗口來(lái)完成這個(gè)過(guò)程;一旦四種自然力分離開(kāi)來(lái)之后,，游戲時(shí)間也就結(jié)束了，我們所知道的物理原理也就不能再改變了,。而這個(gè)包括兩個(gè)新希格斯玻色子的機(jī)制,，必須是可以測(cè)試的,。

不過(guò)他們還是做到了，這是一個(gè)可以理解,，但非常復(fù)雜的過(guò)程,，總體上(也是理論上)來(lái)說(shuō)是這樣的：兩個(gè)新的希格斯玻色子以略微不同的速度衰變?yōu)榱Ｗ哟兀プ兂晌镔|(zhì)和反物質(zhì)的幾率也有輕微的差異,。隨著時(shí)間的推移,，這些差異逐漸增大，當(dāng)電弱力分裂的時(shí)候,，宇宙中“內(nèi)置”的物質(zhì)反物質(zhì)粒子數(shù)量差異就已經(jīng)足夠大,，導(dǎo)致正常物質(zhì)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)。

雖然這確實(shí)是可以解決重子不對(duì)稱的問(wèn)題,，但也馬上引出了另外一個(gè)問(wèn)題：自然界要這么多希格斯玻色子干嘛?我們不得而知,，我們一次先解決一個(gè)問(wèn)題。