通過引用“宇宙學(xué)對撞機(jī)”，來自加州大學(xué)河濱分校和清華大學(xué)的物理學(xué)家現(xiàn)在為研究物質(zhì)的宇宙起源開辟了一條新途徑。

高能對撞機(jī)，如大型強(qiáng)子對撞機(jī)，被設(shè)計(jì)用來產(chǎn)生非常重的亞原子基本粒子，可能揭示新的物理學(xué)。然而，某些新物理學(xué)，如解釋暗物質(zhì)和物質(zhì)起源的物理學(xué)，可能涉及更重的粒子，需要比人類制造的對撞機(jī)所能提供的更多能量。事實(shí)證明，早期宇宙可能充當(dāng)了一個(gè)超級對撞機(jī)。

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加州大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)的研究人員解釋說，宇宙膨脹，即宇宙以指數(shù)增長的速度膨脹的時(shí)期，通常被認(rèn)為是在大爆炸之前。

“宇宙膨脹提供了一個(gè)高能量的環(huán)境，使重的新粒子的產(chǎn)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(gè)宇宙學(xué)對撞機(jī)，只是能量比任何人類制造的對撞機(jī)都要大100億倍"。

根據(jù)研究人員的說法，當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，由膨脹期間的高能事件形成的微小結(jié)構(gòu)被拉伸，導(dǎo)致在一個(gè)原本均勻的宇宙中出現(xiàn)不同密度的區(qū)域。這些微觀結(jié)構(gòu)隨后成為我們宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)的種子，這在今天被視為整個(gè)天空中的星系分布。研究人員指出，分析宇宙對撞機(jī)在今天的宇宙內(nèi)容中的印記，如星系和宇宙微波背景，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)新的亞原子粒子物理學(xué)。

加州大學(xué)的研究人員和清華大學(xué)物理學(xué)助理教授鮮于中之在《物理評論快報(bào)》雜志上報(bào)告說，通過應(yīng)用宇宙學(xué)對撞機(jī)的物理學(xué)，并利用即將進(jìn)行的SPHEREx和21厘米線斷層掃描等實(shí)驗(yàn)的精確數(shù)據(jù)來測量我們的宇宙結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的宇宙起源之謎可能會(huì)被揭開。

研究人員說：“我們今天的宇宙是由物質(zhì)主導(dǎo)的，這一事實(shí)仍然是現(xiàn)代物理學(xué)中最令人困惑的長期之謎。早期宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微妙不平衡或不對稱性是實(shí)現(xiàn)今天的物質(zhì)主導(dǎo)地位所必需的，但在已知的基礎(chǔ)物理學(xué)框架內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)。”

研究人員提議測試leptogenesis，這是一個(gè)眾所周知的機(jī)制，可以解釋我們宇宙中重子--可見氣體和恒星--不對稱的起源。如果宇宙開始時(shí)有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們就會(huì)相互湮滅成光子輻射，什么都不留下。由于今天物質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了反物質(zhì)，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(chǎn)生物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的最有說服力的機(jī)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(rèn)為，測試輕子發(fā)生幾乎是不可能的，因?yàn)橛沂种形⒆拥馁|(zhì)量通常是有史以來最高能量的對撞機(jī)--大型強(qiáng)子對撞機(jī)--所不能達(dá)到的許多數(shù)量級?！?/p>

這項(xiàng)新工作提議通過解碼今天觀察到的宇宙結(jié)構(gòu)中天體空間分布的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)特性來測試輕子發(fā)生，這讓人想起宇宙膨脹期間的微觀物理。研究人員認(rèn)為，宇宙學(xué)對撞機(jī)效應(yīng)使得在通貨膨脹時(shí)代能夠產(chǎn)生超重的右手中微子。

“具體來說，我們證明了不對稱性產(chǎn)生的基本條件，包括右手中微子的相互作用和質(zhì)量，它是這里的關(guān)鍵角色，可以在星系或宇宙微波背景的空間分布統(tǒng)計(jì)中留下獨(dú)特的指紋，并且可以被精確測量，”研究人員說?！邦A(yù)計(jì)未來幾年的天體物理學(xué)觀測有可能探測到這種信號，并揭開物質(zhì)的宇宙起源。”