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第26章:反物质和暗物质

异族文明 梦的精灵樱花 3727 2021.04.18 00:52

  热暗物质(HDM)是暗物质的一种理论形式,由以相对论速度运动的粒子组成。

  暗物质是一种既不发光也不吸收光的物质。在物理学中,这种行为的特征是暗物质不与电磁辐射发生相互作用,因此是暗的,并无法被物理学中的常规仪器探测到。[1]来自星系旋转曲线的数据表明,大约80%的星系质量是不可见的,这迫使研究人员创新方法,通过暗物质对重力波动的影响,来间接地探测它们。[2]理论物理学界对于暗物质是否可以分成不同的“类型”还没有达成共识,但是有证据表明暗物质可以分为“热”(HDM)和“冷”(CDM)两种类型——有些甚至提出了“暖”暗物质(WDM)的中间地带。该术语并不意味着其与温度有任何联系,而是指所谓的暗物质粒子(WIMPs)的大小。反过来,粒子的大小与它们的运动速度之间是负相关的关系:由于HDM粒子理论上质量更低,所以HDM比CDM运动得更快。[3]

  在星系形成中的作用

  艺术家对银河系周围暗物质的印象。感谢: ESO/L. Calçada

  就其应用而言,热暗物质的分布也有助于解释大爆炸后星系团和超星系团是如何形成的。理论家声称存在两类暗物质:1)那些“聚集在可见星系团的单个成员周围”的物质,2)那些围绕“整个星系团”的物质。由于冷暗物质的速度较低,所以它可能是“较小的星系大小的团块”的来源,如图所示。[4]那么,热暗物质就应该与围绕整个星系团的较大质量聚集体的形成相对应。然而,由COBE卫星测量的宇宙微波背景辐射的数据是高度均匀的,这样的高速热暗物质粒子不能从如此平滑的初始状态开始形成像星系一样小的团块,这凸显了暗物质理论和实际数据之间的偏差。理论上,为了解释可观测宇宙中相对小规模的结构,有必要引入冷暗物质或WDM。换句话说,热暗物质作为解释宇宙星系形成的唯一物质的说法不再可行,需将热暗物质置于混合暗物质(MDM)理论的大框架之下。

  中微子

  中微子是热暗物质粒子的一个例子。[5]中微子质量很小,不参与四种基本力中的两种,即电磁相互作用力和强相互作用力。它们参与弱相互作用和引力相互作用,但是由于这些力的强度微弱,使它们很难被探测到。目前一些项目正在研究这些中微子,如日本岐阜的超级神冈中微子天文台。现代物理学中的反物质是由保罗·狄拉克提出的[2]。1926年,薛定谔提出薛定谔方程来描述量子系统的行为,但是薛定谔方程只对低能单粒子的系统是有效的,不存在洛伦兹不变性,换句话说,薛定谔方程是非相对论性的。为了把薛定谔方程推广到相对论的情形,1928年,狄拉克提出了狄拉克方程。然而,求解狄拉克方程就会发现其有两组解,以电子为例,一个解是具有正能量的电子,而另一个解中的电子却具有负能量。

  在经典物理中,一个自由运动的粒子,其能量不可能为负的。而且,正能解的电子能量高于负能解电子的能量,那么前者就可能通过自发发射跃迁到后者,而且这这个过程可以一直持续下去,因为负能解并没有一个最低能量,这显然不是真实的物理情形。为了解决这个矛盾,狄拉克提出了“狄拉克海”理论,他假设负能量的态已经全部被电子占据了,这些电子充满整个宇宙,就像大海一样,又根据泡利不相容原理,任何一个量子态最多只能有一个费米子占据,因此,正能量的电子并不会再继续跃迁到负能量的电子态上。然而,这个理论无法解释玻色子的稳定性,因为玻色子并不遵循泡利不相容原理,每一个量子态上可以存在任意多的玻色子。

  这个问题一直道量子场论发展后才被真正的解决,量子场论把这些负能解解释为反粒子。

  发现反物质

  第一个被发现的反物质(粒子)是卡尔·安德森在1932年发现的正电子[3]。当时,

  云室中的正电子轨迹

  安德森正在美国加州理工学院正在研究通过云室观测宇宙射线,他发现了一条由未知粒子留下的轨迹,这个粒子的质量与电子相同,但是带正电荷,与电子电性相反。经过近一年的努力和观察,他认为这个轨道实际上就是正电子,该正电子是由宇宙射线撞击云室内物质产生的。

  另外两名科学家Occhialini和Blacket不久后也证实了这一发现,他们于1934年在《英国皇家学会会刊》上发表了一些穿透辐射轨迹的照片。安德森的观察证明了狄拉克所预测的反粒子的存在。由于发现了正电子,安德森与维克托·赫斯(Victor Hess)分享了1936年诺贝尔物理学奖。

  1955年,反质子也被发现了,与正电子不同的是,反质子是在加速器/对撞机中通过对撞发现的、发现者Emilio Gino Segrè和 Owen Chamberlain 也因此获得1959年的诺贝尔物理学奖[4]。质子不是基本粒子,是由更基本的夸克构成的。构成质子的是两个上夸克和一个下夸克,而构成反质子的是两个反上夸克和一个反下夸克。

  一个氢原子是由一个质子和一个电子构成的,因此,一个反质子和一个反电子也能构成反氢原子。1995年,欧洲核子研究组织(CERN)宣布成功制备了九个反氢原子。随后,费米实验室也在其设备中制备了约100个反氢原子[5]。

  性质与应用

  正物质与其对应的反物质能够发生湮灭反应,比如说,一个电子和正电子湮灭生成一对光子:。这样的性质已经应用在医学领域,比如PET(正电子发射断层扫描)[6],PET使用正电子产生人体的高分辨率图像。自然界中,有些元素能够自发发射正电子,把这些物质掺入能够被人体利用的物质(比如葡萄糖)中,然后注入到血液中。一旦这些物质被自然分解,放射出

  正电子发射断层扫描示意图

  正电子,这些正电子就会与人体内的电子发生湮灭反应,产生伽马射线(即光子),通过仪器检测这些光子就能构造人体图像。

  正反物质的湮灭反应也可以用来作为能源。在正负电子湮灭反应中,正负电子的净质量将全部转换为动能。这个能量比相应的化学能量高了大约约10个数量级,比核裂变产生的能量大了3个数量级,比聚变预期的最佳结果大约高了2个数量级。 1千克反物质与1千克物质的反应将产生焦耳的能量,大致相当于43兆吨的TNT。不过这样的能量也很有可能被用作武器。

  电子-正电子不仅能发生上面说的湮灭反应产生光子,还能湮灭产生夸克对、轻子对等。这样的性质使得反物质(粒子)在高能物理(粒子物理)的研究中也起到了重要的作用,比如说,正负电子对撞机中就是就是通过加速电子与正电子到接近光速后进行对撞,通过反应产物来研究物质结构。

  正反物质不对称

  单纯的从狄拉克方程来看,物质和反物质的地位是完全等价的,不存在谁比谁更优先,两者是互为反物质,也就是说,物质和反物质的产生和湮灭过程在统计上应该是平衡的。如果我们假设宇宙大爆炸时正反物质数量是相等的,那么现在的正反物质数量也应该是相等。

  宇宙中的物质和反物质的不对称主要体现为正反重子的不对称,这是因为当今宇宙中的普通物质的能量主要集中在重子部分。但是天文观测数据却显示,在可观测的宇宙范围内,二者严重失衡,只发现了正物质,没有反物质。假设宇宙中有反物质存在的区域,那么在正反物质的交界处会发生剧烈的湮灭,产生很强的伽马射线,但是宇宙观测中并没有发现这种伽马射线。在高能宇宙线中观测到的反物质比如反质子是宇宙线传播过程中发生碰撞而产生的次级粒子,并不是来自于宇宙深处的原初反物质其它的观测也给出了相同的结果。

  理论上讲,这种正反物质不对称可能是宇宙创、生的时候就有的。然而,近代宇宙学研究表明,宇宙在早期经历了一个暴胀阶段。暴胀解决了经典宇宙学中的平坦性、均匀性等问题,但同时剧烈的膨胀也使得原始的重子数和反重子数密度趋近于零。也就是说经历了暴胀之后,宇宙应该处于的对称状态.所有的物质和反物质都是在暴胀后的再加热(reheating)过程中产生,所以正反物质的不对称也必须是暴胀后宇宙中的动力学演化的结果[1]。

  1967年前苏联物理学家萨哈洛夫(Sakharov)就提出了动力学产生宇宙正反物质不对称,即重子数产生机制所需要的3个条件:

  存在重子数不守恒的过程,重子数的定义为正物质重子数减去反物质重子数;

  C和CP对称性的破坏。在粒子物理中,对一个粒子做C变换,则变为其反粒子;P变换则是镜像变换,把系统的“左”和“右”颠倒。C不对称是正反粒子交换的不对称,CP不对称是正反粒子交换、左和右交换联合的不对称。只要C或CP中的任意一个对称性存在,重子数破坏的反应过程就会产生相同数量的重子和反重子;

  系统脱离热平衡,正反粒子质量是相等的,如果系统处于热平衡,那么重子与反重子将具有相同的热分布,因而会有相同的密度和数量。

  为了实现这三个条件,多年来提出了很多具体的机制和模型。在当今粒子物理的标准模型中,非微扰的

  Sphaleron过程可以破坏重子数守恒;再者C变换不守恒在标准模型的弱相互作用中普遍存在,而CP变换的不守恒是由卡比博-小林-益川矩阵(CKM矩阵)中的一个复的相角所提供;当重子数破坏过程的反应速率小于宇宙膨胀的速率时,远离热平衡的条件也可以满足。然而,定量的计算表明标准模型中CP破坏的效应很小而远远不能产生观测到的物质反物质不对称的数值[7]。

  标准模型中CP破坏有两个来源,一个是弱电中的CKM矩阵,另一个是强相互作用(QCD)中出现的强CP破坏。但是定量的计算表明,这两个破坏源都无法满足Sakharov条件中所要求的破坏量级。另外,这还要求Higgs粒子的质量要小于45Gev,但是实验已经测得其质量为125Gev。

  上面提到的萨哈洛夫的三个条件需要以CPT定理成立为前提,CPT定理是指物理系统在正反粒子变换(C变换)、宇称变换(P变换)以及时间反演变换(T变换)联合变化下是不变的。CPT对称性在粒子物理标准模型中具有非常重要的地位。如果CPT对称破缺少,也可以在热平衡过程中产生正反物质不对称[1]。

  总而言之,现有的理论模型(包括粒子物理标准模型)还无法有效的解释观测到正反物质不对称现象。

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