據國外媒體報導，為什麼今天的宇宙是由物質組成的，而不是反物質？來自中微子研究的新證據為解答這一難題提供了線索。宇宙一開始既有物質又有反物質，後來就只剩下了物質，這是為什麼？這個問題是物理學中最難解的奧秘之一。

幾十年來，理論物理學家提出了許多可能的理論，其中大多數涉及到宇宙中某些未知粒子的存在。就在不久前，科學家們宣布了一些很有吸引力的發現，指向了一種可能的解釋理論，不過他們的數據並未給出明確的結果。無論最終的答案如何，這個問題的解決可能會告訴我們更多，比如揭示宇宙最早時期的秘密，甚至將現有的物理學與看不見的暗物質聯繫起來，而不僅僅是解釋宇宙為什麼由物質組成。

大多數關於物質是如何在數量上完全壓制反物質的理論可以分為兩大陣營。一種理論是電弱重子數產生機制（electroweak baryogenesis，簡稱EWBG）。該理論假設了另外的希格斯玻色子版本，而希格斯玻色子與一切物質如何獲得質量有關。如果存在其他版本的希格斯玻色子，那它們可能就會在宇宙早期引發一場突然的相變，類似於水從液體到氣體的轉變，進而導致宇宙中物質略多於反物質。當物質和反物質接觸時，它們會相互湮滅，因此年輕宇宙中的大部分物質都會消失，只留下少量剩餘物質，形成我們周圍的星系、恆星和行星。

另一種主導的理論是“輕子生成理論”（leptogenesis），其基礎是中微子。這些粒子比夸克輕得多，飄渺地穿過宇宙，幾乎從不會停下來與任何東西發生作用。基於這些性質，我們設想在已知的常規中微子之外，還存在著非常重的中微子，它們是如此龐大，以至於只能由大爆炸後的巨大能量和溫度形成，而當時的宇宙溫度極高，密度極大。該理論認為，當這些粒子不可避免地分裂成更小、更穩定的粒子時，它們可能會產生比反物質稍微多一點的物質，從而形成我們今天看到的這種不對稱的情況。

一個實驗，兩個謎題

最近，日本T2K實驗的科學家們宣布了一個消息，為輕子生成理論提供了很有前景的證據支持。這個實驗觀察到，中微子在地下300公里的傳播過程中，在三種不同的味之間發生變化——這種中微子特有的能力被稱為振盪。T2K實驗的研究人員在中微子中發現了比反中微子更多的振盪，表明兩者不單單是互為鏡像，而且在實際行為上也有所不同。粒子及其對應的反物質之間的差異被稱為“CP破壞”，被認為是探索宇宙誕生後物質如何超越反物質的重要線索。

該實驗目前已經以95%的置信度排除了中微子沒有CP破壞的可能性，這也暗示了中微子允許顯示出CP破壞的最大可能性。不過，我們還需要更多的數據，也許還需要未來進行更多實驗，才能精確地測量中微子和反中微子之間的差異。

即使物理學家最終發現了中微子的CP破壞，他們也不可能完全解決宇宙中缺乏反物質的問題。這樣的發現對於證明輕子生成理論是“必要的，但還不夠”。該理論的另一個要求是，中微子和反中微子其實是同一種粒子。這種明顯的矛盾可能嗎？物質與反物質除了電荷相反之外，其他特徵都是相同的，因此沒有電荷的中微子可能同時具有這兩種性質。

如果這種可能性被證實，那也就可以解釋為什麼中微子這麼輕——大約不到電子質量的六萬分之一。如果中微子和反中微子是一樣的，它們可能不會像大多數粒子那樣通過與希格斯場（與希格斯玻色子有關）的相互作用而獲得質量，而是通過另一種稱為蹺蹺板機制（seesaw mechanism）的過程。它們微小的質量與早期宇宙中產生的重中微子的質量成反比，一個上升，另一個就下降，就像蹺蹺板一樣。

輕子生成理論是一個非常優雅的解釋方式。首先，這回答了為什麼物質比反物質多；其次，這也解釋了為什麼中微子的質量這麼小。中微子本身就是其對應反物質的證據，可能來自於一項名為“無中微子雙貝塔衰變”的理論反應實驗，這種反應只有在中微子能夠像物質和​​反物質接觸時那樣自我湮滅的情況下才會發生。然而，即使發現了這種情況，也不能完全證明輕子生成理論。

與暗物質的連接

物理學家表示，另一種理論選擇——電弱重子數產生機制——可能更容易研究。儘管在輕子生成過程中產生的重中微子很可能超出了粒子加速器的能力範圍，但該理論預測的另一些希格斯玻色子可能會出現在大型強子對撞機上。即使對撞機不能直接製造出希格斯玻色子的其他版本，但它們也可能與傳統希格斯玻色子發生微妙但可探測的相互作用。

電弱重子的形成也需要宇宙中額外的CP破壞，但並不一定與中微子有關。事實上，在夸克中已經發現了CP破壞現象，儘管數量很小，還不足以解釋物質-反物質的不平衡。這一理論缺失的CP破壞可能隱藏在所謂的“黑暗部分”——有理論認為構成宇宙空間中大部分物質的其實是暗物質。也許暗物質和暗反物質的行為不同，而這種不同可以解釋我們所知道的宇宙。

電弱重子產生機制的證據不僅可以通過探測額外的希格斯粒子獲得，還可以通過大量尋找暗物質和“暗領域”的實驗獲得。此外，如果宇宙相變發生在大爆炸後不久，就像理論假設的那樣，便可能會產生引力波。我們或許可以在未來的實驗中探測到這些引力波，比如通過激光干涉空間天線（LISA），一種基於太空的引力波探測器，將於本世紀30年代發射。

不過，宇宙最終也可能出乎我們的意料，也許輕子生成和電弱重子生成都沒有發生。例如，科學家最近在研究一個涉及質子和中子內部夸克強相互作用中CP破壞的模型，其他理論物理學家也在研究許多不同的理論。

與此同時，對中微子CP破壞的最終測量已經指日可待。即將進行的項目，如深地下中微子實驗（DUNE）和T2K的繼任實驗“超級神岡探測器”（Hyper-Kamiokande，簡稱Hyper-K）等，應該都具有精確計算所需的靈敏度。T2K實驗的數據看起來非常有意思，在即將到來的下一代實驗中，還會有一些更有趣的東西值得研究，這讓科學家們非常興奮。