大型強子對撞機內緊湊型Muon電磁探測器的內筒

我們爲什麼存在？這可以說是最深刻的問題，也可能看起來完全超出了粒子物理學的範疇。

但歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上的新實驗讓我們更接近了解答案。

要理解爲什麼，讓我們回到138億年前的宇宙大爆炸。這個事件產生了相同數量的物質和反物質。

據信，每個粒子都有一個與其自身幾乎完全相同但具有相反電荷的反物質伴侶。當粒子和它的反粒子相遇時，它們會相互湮滅，在一陣光線中消失。

爲什麼我們今天看到的宇宙完全是由物質構成的，這是現代物理學最大的奧祕之一。如果有相同數量的反物質，宇宙中的一切都將被消滅。

歐洲核子研究中心的研究揭示了物質和反物質之間這種不對稱的新來源。

反物質首先由亞瑟·舒斯特（Arthur Schuster ）於1896年提出，保羅·狄拉克（Paul Dirac）於1928年進一步闡述，並於1932年由卡爾·安德森（Carl Anderson）以反電子的形式提出。正電子發生在天然放射性過程中，如鉀-40的衰變。

這意味着香蕉（含有鉀）平均每75分鐘發出一次正電子。然後它們與物質電子湮滅以產生光。 PET掃描儀等醫療應用在同一過程中產生反物質。

物質基本構成

構成原子的物質的基本構成塊是稱爲夸克和輕子的基本粒子。夸克有六種“味”：分別是上、下、粲、奇、底及頂。

同樣，有六種“味”輕子：電子，μ子，tau和三個中微子。還有這十二種顆粒的反物質拷貝，它們的電荷不同。

反物質粒子原則上應該是其正常伴侶的完美鏡像。但實驗表明情況並非總是這樣。

例如，稱爲介子的粒子，由一個夸克和一個反夸克組成。中性介子具有一個迷人的特徵：它們可以自發地變成它們的反介子，反之亦然。

在這個過程中，夸克變成反夸克或反夸克變成夸克。但是實驗表明，這可能發生在一個方向上而不是相反的方向，隨着時間的推移產生的物質比反物質更多。

在含有夸克的粒子中，只有那些包括奇和底夸克的粒子被發現具有這種不對稱性，這些都是非常重要的發現。

1964年首次觀察到涉及奇粒子的不對稱性，這讓理論家們預測了六個夸克的存在，當時只知道存在三個夸克。

2001年發現底部粒子的不對稱性是對導致六夸克圖像的機制的最終證實。這兩項發現都獲得了諾貝爾獎。

奇的和底夸克都帶有負電荷。理論上應該能夠形成表現出物質 - 反物質不對稱的粒子的唯一帶正電的夸克是粲。理論如果確實如此，那麼效果應該很小並且難以檢測。

但是，現在的實驗已經首次觀察到稱爲D-meson的顆粒中的這種不對稱性，這是由粲夸克組成的。

如果這種不對稱性不是來自導致奇和底夸克不對稱的相同機制，那麼這爲物質的新來源，也就是反物質不對稱留下了空間，這可能會增加早期宇宙中的這種不對稱性。

這非常重要，因爲少數已知的不對稱情況無法解釋爲什麼宇宙包含如此多的物質。

僅僅發現奇夸克不足以填補這一空白，但它是理解基本粒子相互作用的重要內容。

這一發現之後將有更多的理論出現，有助於解釋反物質。

許多類似測試已經在進行中。

未來十年，升級的LHCb實驗將提高這些測量的靈敏度。這將由日本的Belle II實驗補充，該實驗剛剛開始運作。

反物質也是許多其他實驗的核心。歐洲核子研究組織的Antiproton減速器正在生產整個反原子，它爲許多實驗提供高精度測量。

國際空間站上的AMS-2實驗正在尋找宇宙起源的反物質。目前和未來的一些實驗將解決中微子之間是否存在反物質不對稱的問題。

雖然我們仍然無法徹底解決宇宙物質 - 反物質不對稱的神祕，但我們的最新發現爲精確測量時代打開了大門，這個時代有可能揭示未知現象。有理由樂觀地認爲物理學有一天能夠解釋物質與反物質的問題。