宇宙在其存在的早期，即大爆炸後不久，充滿了同等數量的物質和“反物質”–作為物質的對應物但具有相反電荷的粒子。然後，隨著空間的擴張，宇宙冷卻了。今天的宇宙充滿了基於物質的星系和恆星。物質是如何在宇宙中占主導地位的，反物質又去了哪裡？科學家們仍然對物質的宇宙起源感到疑惑。

通過引用“宇宙學對撞機”，來自加州大學河濱分校和清華大學的物理學家現在為研究物質的宇宙起源開闢了一條新途徑。

高能對撞機，如大型強子對撞機，被設計用來產生非常重的亞原子基本粒子，可能揭示新的物理學。然而，某些新物理學，如解釋暗物質和物質起源的物理學，可能涉及更重的粒子，需要比人類製造的對撞機所能提供的更多能量。事實證明，早期宇宙可能充當了一個超級對撞機。

加州大學物理學和天文學的研究人員解釋說，宇宙膨脹，即宇宙以指數增長的速度膨脹的時期，通常被認為是在大爆炸之前。

“宇宙膨脹提供了一個高能量的環境，使重的新粒子的產生以及它們的相互作用成為可能，”研究人員說。”膨脹宇宙的行為就像一個宇宙學對撞機，只是能量比任何人類製造的對撞機都要大100億倍”。

根據研究人員的說法，當宇宙膨脹時，由膨脹期間的高能事件形成的微小結構被拉伸，導致在一個原本均勻的宇宙中出現不同密度的區域。這些微觀結構隨後成為我們宇宙大規模結構的種子，這在今天被視為整個天空中的星系分佈。研究人員指出，分析宇宙對撞機在今天的宇宙內容中的印記，如星系和宇宙微波背景，可能會發現新的亞原子粒子物理學。

加州大學的研究人員和清華大學物理學助理教授鮮于中之在《物理評論快報》雜誌上報告說，通過應用宇宙學對撞機的物理學，並利用即將進行的SPHEREx和21厘米線斷層掃描等實驗的精確數據來測量我們的宇宙結構，物質的宇宙起源之謎可能會被揭開。

研究人員說：“我們今天的宇宙是由物質主導的，這一事實仍然是現代物理學中最令人困惑的長期之謎。早期宇宙中物質和反物質之間的微妙不平衡或不對稱性是實現今天的物質主導地位所必需的，但在已知的基礎物理學框架內無法實現。”

研究人員提議測試leptogenesis，這是一個眾所周知的機制，可以解釋我們宇宙中重子–可見氣體和恆星–不對稱的起源。如果宇宙開始時有等量的物質和反物質，它們就會相互湮滅成光子輻射，什麼都不留下。由於今天物質遠遠超過了反物質，所以需要不對稱性來解釋這種不平衡。

研究人員指出：“Leptogenesis是產生物質-反物質不對稱的最有說服力的機制之一。它涉及一種新的基本粒子，即右手中微子。然而，人們長期以來認為，測試輕子發生幾乎是不可能的，因為右手中微子的質量通常是有史以來最高能量的對撞機–大型強子對撞機–所不能達到的許多數量級。”

這項新工作提議通過解碼今天觀察到的宇宙結構中天體空間分佈的詳細統計特性來測試輕子發生，這讓人想起宇宙膨脹期間的微觀物理。研究人員認為，宇宙學對撞機效應使得在通貨膨脹時代能夠產生超重的右手中微子。

“具體來說，我們證明了不對稱性產生的基本條件，包括右手中微子的相互作用和質量，它是這裡的關鍵角色，可以在星系或宇宙微波背景的空間分佈統計中留下獨特的指紋，並且可以被精確測量，”研究人員說。“預計未來幾年的天體物理學觀測有可能探測到這種信號，並揭開物質的宇宙起源。”