遥远星系中的这种元素，能解答我们的存在之谜？
遥远星系中的这种元素，能解答我们的存在之谜？Burns 原理 2023-08-19 05:30
我们所知的宇宙始于138亿年前的大爆炸。理论上，大爆炸之后应该产生了相同数量的物质和反物质。我们知道，当物质与反物质碰撞时，它们会湮灭只留下能量。这就意味着，如果理论是正确的，那么物质将与反物质完全湮灭，使宇宙只剩下能量。但很显然，这没有发生，否则我们今天就看不到由物质构成的星系、恒星、行星，更不用说我们了。
那么，究竟是什么导致了物质和反物质之间的不对称性？ 这是物理学最大的谜团之一。在近期的一项研究中，一组研究人员发现，对遥远星系中氦的含量与类型的新的测量，或许能为解答这个长久以来的谜团提供思路。
宇宙大爆炸之后
在大爆炸的几微秒后，我们熟悉的质子和中子首先被创造出来。不久后，氢和氦等轻元素的原子核开始形成，这个过程被称为大爆炸核合成。今天，氢和氦仍然是宇宙中最丰富的元素，它们是恒星的主要成分。在形成的原子核中，有75%是氢原子核，24%是氦原子核，还有少量较重的原子核。（图/原理）
根据物理学界最广泛接受的关于这些原子核形成的理论，基本粒子中微子和反中微子在形成氦原子核的过程中发挥了重要作用。
氦在早期宇宙中的形成分两步进行。首先，在一系列与中微子和反中微子有关的过程中，相互转化。接着，随着宇宙冷却，这些转化过程就会停止，质子与中子便以一定的比例确定了下来。
理论物理学家可以通过创建模型来测试在早期宇宙中，中微子与反中微子的相对数量会如何影响质子与中子的比例。如果有更多的中微子，那么模型就会显示出更多的质子和更少的中子。
氦是由两个质子和两个中子组成的，而氢只有一个质子，没有中子。所以早期宇宙中的可用中子越少，产生的氦就越少。
直至今日，科学家仍可以探测到在大爆炸核合成过程中形成的原子核。因此，他们可以推断出有多少中微子和反中微子存在于早期宇宙中。而这一点可以通过观测富含氢和氦等轻元素的星系来实现。
在一系列高能粒子碰撞中，如氦等元素在早期宇宙中形成了。图中的D代表具有一个质子（p）和一个中子（n）的氢同位素——氘，γ表示光子。在图中所示的一系列链式反应中，质子和中子聚变成氘，然后氘核又聚变成氦核。（图/原理）
氦的线索
去年，日本科学家发布了由昴星团望远镜收集的10个星系的数据，这些星系距离我们非常遥远，而且几乎完全都由氢和氦组成。
昂星团望远镜位于位于夏威夷的一座山上。（图/Panoramio/Wikimedia Commons, CC BY-ND）
利用一种可以根据望远镜观察到的光的波长来区分不同的元素的技术，昂星团望远镜的科学家准确地确定了这10个星系中的每个星系的氦含量。他们发现，氦的含量要少于之前公认的理论预测。
在新的研究中，研究人员基于这个结果往回追溯，计算出了需要多少中微子和反中微子，才能产生数据中所发现的氦丰度。在先前被广为接受的理论预测中，早期宇宙中应该有相同数量的中微子和反中微子。然而，当研究人员想要得出与新数据相匹配的预测时，发现中微子的数量大于反中微子。
这意味着什么？
对这些富氦星系进行的新的数据分析具有深远的影响，因为它可以解释物质与反物质之间的不对称性。昂星团的数据将这种不平衡的来源直接指向了中微子。通过一些已知的和可能的粒子物理学过程，中微子的不对称性可以扩展为所有物质的不对称性。
这项研究结果是理论物理界的一种常见结果。简单来说，他们发现了一种能够导致物质与反物质不对称性的可能途径，但这并不意味着物质与反物质的不对称性就一定是以这种方式产生的。那么，这些微小的中微子是回答“万物为何存在”这个古老问题的关键吗？新的这项研究表明，是有可能的。
#创作团队：
撰文：Anne-Katherine Burns排版：雯雯
#参考来源：
https://theconversation.com/measuring-helium-in-distant-galaxies-may-give-physicists-insight-into-why-the-universe-exists-205891#图片来源：
封面图：X-ray: NASA/CXC/Penn State Univ./L. Townsley et al.; IR: NASA/ESA/CSA/STScI/JWST ERO Production Team首图：Subaru Telescope
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