本项研究直面了物理学中最根本的谜题之一：为什么宇宙中存在物质，而不是一片虚无？科学界普遍认为，在大爆炸之初，物质与反物质是以几乎相等的数量被创造出来的。然而，当这两种相反的成分相遇时，它们会发生湮灭并释放能量。如果它们最初的存在数量完全对等，那么几乎所有的物质都将消失，从而无法形成后来的恒星、行星乃至生命。
如今，来自英国南安普顿大学（University of Southampton）与印度坎普尔理工学院（Indian Institute of Technology Kanpur）的研究人员可能已经找到了这块拼图中的重要碎片。他们的解释指向了一种人们知之甚少的粒子——中微子的“远亲”，这是一种极轻且极少与普通物质发生相互作用的粒子。
被遗忘的粒子：在早期宇宙中扮演强大角色
研究团队将焦点集中在一种被称为“解耦”重中微子（'decoupled' heavy neutrino）的粒子上。与普通中微子不同，这种假设中的更重亲缘粒子此前普遍被认为与其它粒子的关联过于微弱，因此无法对宇宙产生显著影响。
然而，研究人员发现，该粒子异常漫长的寿命可能使其远比以往想象的更为重要。根据他们的计算，这种粒子存活的时间足够长，以至于在宇宙大爆炸后冷却的过程中，它曾短暂地主导了宇宙的能量密度。
这段短暂的能量主导期可能改变了早期宇宙的演化轨迹，并对最终促使物质数量超越反物质的条件产生了深远影响。
该研究的作者之一、南安普顿大学的 Rishav Roshan 博士解释道：“长期以来，这种解耦重中微子在粒子物理学中一直被当作无关紧要的背景细节而遭到忽视。”
“然而，它的衰变速度极其缓慢。随着宇宙在大爆炸后逐渐冷却，这种粒子存活的时间足够久，以至于它暂时接管了宇宙的能量密度，并触发了一个以物质为主导的时期。”
相关研究成果已发表于美国物理学会的科学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
重中微子如何解释物质的幸存
此前旨在解释物质为何压倒反物质的各种理论尝试，通常都排除了解耦重中微子的作用。由于它与其他粒子的相互作用极其微弱，科学家们曾假定它对制造这种不平衡的过程几乎没有影响。
这项新研究向这一传统假设发起了挑战。研究团队发现，即使是相互作用极其微弱的粒子，也可以间接地影响物质获得其关键优势的条件。
这种被称为物质与反物质不对称性（matter-antimatter asymmetry）的不平衡状态，是我们理解自身存在的基石。出于物理学家仍在努力破解的原因，早期宇宙最终残留了略多于反正是反物质的物质。正是这微小的差异，使得在大多数粒子与其反粒子发生湮灭之后，仍有一部分物质得以保留。
Roshan 博士补充道：“我们之所以能够存在，这一事实本身就证明了物质与反物质之间确实发生了不对称。”
“在标准模型希格斯玻色子的协助下，解耦中微子改变了早期宇宙中基本粒子（如电子及其他轻子）与其反粒子发生相互作用时的温度。”
“这一温度就像是一个开关，塑造了物质与反物质不平衡的建立过程。”
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息息相关。在研究人员提出的假说场景中，重中微子改变了控制希格斯玻色子参与的重要粒子相互作用的温度条件。
通过改变这些相互作用发生的时间节点，该粒子可能对物质与反物质之间不平衡的发展产生了催化作用。换句话说，这个长期以来被认为微不足道的因素，可能恰恰决定了为什么宇宙中会存在物质。
古代引力波或将揭晓答案
该理论对于理解宇宙在极早期阶段的膨胀方式，也具有重要的科学意义。
研究的共同作者、印度坎普尔理工学院的 Sudipta Show 博士指出，这些发现表明，这种被遗忘的粒子可能极大地改变了年轻宇宙的膨胀历史。
他补充说：“它为我们理解物质如何获胜提供了一种新的解释。”
“宇宙早期膨胀过程中的剧烈转变，会在原初引力波等现象上留下清晰但可检测的印记。”
“这些引力波特征为我们揭开大爆炸后早期宇宙的演化史开辟了新的途径。”
引力波是时空结构中的涟漪。科学家相信，极早期宇宙中的物理过程可能产生了原初引力波，这些引力波携带了那个遥远时代环境的信息。
根据这项新理论，重中微子的短暂主导地位可能在这些古代信号中留下了可资识别的特征。探测到此类模式，最终可能为研究该假想粒子是否真的影响了宇宙最早期的演化提供切入点。
截至目前，这一解释仍处于理论阶段。但它为物理学家解决宇宙学中最深奥的谜团之一提供了一种全新的可能性：当遭遇反物质本可使宇宙几乎彻底空无一物时，物质究竟是如何幸存下来的。
Author: Rishav Roshan, Sudipta Show.