为什么宇宙是左撇子?





在我们的宇宙中,左手的反射似乎是右手。大多数自然定律是关于镜面反射对称的,并且遵循相同的定律-弱相互作用除外。由于某些原因,只有左手粒子较弱地相互作用,而右手粒子则没有。



在镜子中挥动您的手,您的反射将向您反射。但是,它将用与您使用的另一只手相反的方式进行操作。对于我们大多数人来说,这不是问题-我们可以挥动另一只手,而反射反过来会挥动相反的声音。但是对于宇宙,某些相互作用仅适用于惯用左手的粒子-特别是对于经历弱相互作用的粒子。无论我们如何搜索,我们都找不到它们的右侧版本。



但为什么?宇宙在哪里有这样的品质,为什么只有在弱相互作用的情况下才表现出来?毕竟,相对于左侧和右侧配置,理想的是强烈的电磁和重力相互作用。科学上的这一事实已在许多实验中得到验证,新的实验已经在准备以进行更深入的验证。尽管标准模型的物理学已经很好地描述了它,但是没人真正知道为什么宇宙如此运行。到目前为止,这是我们所知道的。





克服量子势垒称为隧道效应。这是量子力学的奇怪特性之一。量子粒子本身也具有其固有性质-质量,电荷,自旋-测量后不会改变。



想象自己是一个粒子。当您在太空中移动时,就会具有某些量子性质,例如质量和电荷。而且,您不仅具有相对于您周围所有粒子(和反粒子)的角动量,而且还具有与运动方向(自旋)有关的内部角动量。您的属性(如粒子)完全决定了您是哪种粒子。



用手可以想象自己的两个版本-惯用左手和惯用右手。首先,将两个拇指都指向一侧-一侧,但一侧。挤压其余的手指。现在,如果您看着拇指使它们指向您,您将看到背面如何不同-从这个角度来看,所有左手粒子都顺时针“旋转” [旋转指向运动],而右手粒子逆时针旋转[旋转被指向通过运动]。





左旋极化是光子的50%固有的,右旋极化是其他50%的光子固有的。当创建一对粒子(或一对粒子-反粒子)时,它们的自旋(它们的内部角动量)总是被求和,同时保持系统的总角动量。您无能为力地改变像光子这样的无质量粒子的极化。



大多数时候,物理学家并不关心您的自旋-所有法律和规则都保持不变。无论顶部是顺时针旋转还是逆时针旋转,顶部都遵循相同的物理定律。行星遵循相同的规则,它绕着轴线在轨道中沿或逆着运动方向旋转。传递到原子中较低能级的“自旋”电子将发射光子,而不管其自旋方向如何。几乎在所有情况下,物理学定律都是左右对称的



“镜像对称性”是可应用于粒子和物理定律的三个基本对称性类别之一。在20世纪上半叶,我们相信总是有守恒的对称性,其中三个是:



  • 空间奇偶性(P)的对称性,根据该对称性,粒子及其镜面反射的物理定律相同。
  • 电荷对称性©,根据该定律,粒子和反粒子的物理定律相同。
  • 关于时间反转(T)的对称性,根据该对称性,物理定律不会根据系统是在时间上向前还是向后移动而改变。


根据所有经典的物理学定律,以及广义相对论,甚至是量子电动力学,这些对称性始终得以保留。







粒子/反粒子,粒子的镜面反射或所有这些特性的自然性质都不对称。在发现镜像对称破坏中微子之前,只有弱相互作用的粒子才是潜在的P对称破坏者。



但是要确保宇宙对于所有这些转换都是真正对称的,您必须以各种可能的方式对其进行测试。第一张暗示这张图片有问题的提示是在1956年,当时我们首次通过实验检测到中微子。该粒子是由沃尔夫冈·保利(Wolfgang Pauli)于1930年以微小的中性量子形式引入的,能够在放射性衰变过程中带走能量。在这样的宣布之后,经常被引用的保利抱怨道:“我做了一件可怕的事情。我推测存在一个无法检测到的粒子。”



由于据预测中微子会与普通物质相互作用,因此横截面可以忽略不计,Pauli并没有发现任何现实的检测方法。然而,几十年后,科学家不仅能够分裂原子-核反应堆变得司空见惯。保利说,这些反应堆应该产生大量的中微子反粒子-反中微子。在核反应堆附近建造了一个探测器,并在26年后的1956年发现了第一个反中微子。







弗雷德里克·雷内斯左侧是萨凡纳河实验的控制点,左侧是克莱德·科万,右侧是1956年发现电子反中微子的地方。所有反中微子都是右撇子,所有中微子都是左撇子,没有例外。尽管标准模型准确地描述了所有这些,但没有根本原因。



但是,对于这些中微子却发现了一些有趣的事情:所有这些中微子都是右撇子,它们的旋转都是沿着运动方向进行的。后来我们也开始发现抗中微子,发现它们都是左撇子,向后旋转。



似乎无法进行此类测量。如果中微子(和反中微子)由于很少与其他粒子相互作用而很难检测,我们怎么能测量它们的自旋呢?



事实是,我们学习它们的自旋不是由于直接测量,而是由于研究了相互作用后出现的粒子的特性。这是我们对所有无法直接测量的粒子(包括希格斯玻色子)进行的处理,希格斯玻色子是当今已知的唯一自旋为零的基本粒子。







希格斯玻色子衰变通道-由标准模型观察和预测。包括来自ATLAS和CMS实验的最新数据。令人难以置信的巧合,但也令人失望。到2030年代,大型强子对撞机将积累大约50倍的数据,但许多衰减通道的精度仍将保持在百分之几的水平。新的对撞机可以将精度提高多个数量级,并可能发现新粒子的存在。



怎么做的?



希格斯玻色子有时会衰减成两个光子,其自旋可以为+1或-1。因此,希格斯玻色子的自旋可以为0或2,因为这将是光子自旋的总和或差。另一方面,希格斯玻色子有时会衰减为夸克/反夸克对,每个对的自旋为+½或–½。将它们相加并相减得到0或1。这些测量值之一不会给我们带来希格斯玻色子的自旋,但它们在一起仅留下一个可能的值0。



类似的技术已被用于测量中微子和反中微子的自旋,这令大多数科学家感到惊讶的是,宇宙及其镜面反射并不相同。如果您在左手的中微子前面放置一面镜子,它的反射将是右手的-就像左手的中微子一样。但是,在我们的宇宙中,没有右手中微子,就没有左手中微子。由于某种原因,宇宙在乎。







如果捕捉到沿特定方向运动的中微子或反中微子,您将看到它们的内部角动量顺时针或逆时针旋转,具体取决于它是中微子还是反中微子。



如何理解所有这些?



理论家李正道和杨振宁提出了奇偶校验定律的思想,并指出尽管奇偶校验似乎是一个完美的对称性,并保留在强电磁相互作用中,但尚未在弱电中进行适当测试。当在衰变过程中,一个粒子变成另一个粒子时,就会发生弱相互作用-介子变成电子,奇怪的夸克变成向上的粒子,中子变成质子(当其中一个向下的夸克衰减时,变成向上的粒子)。



如果保留奇偶校验,则左侧和右侧粒子的弱相互作用(所有相互作用)将相同。但是,如果违反了此规则,则只有左手粒子才会发生弱相互作用。如果只能通过实验验证这一点...







吴建雄(左)是一位杰出而杰出的实验物理学家。她做出了许多重要的发现,证实了(或驳斥了)一些重要的理论预测。她从未获得过诺贝尔奖。



1956年,吴建雄从钴的放射性同位素钴60中取样,并将其冷却至接近零。已知在β衰变过程中钴60会转化为镍60。弱相互作用将原子核中的一个中子转换为质子,在此过程中会发射出电子和反中微子。通过对钴施加磁场,可以对齐所有原子的自旋。



如果保持奇偶性,则有可能观察到所发射的电子-也称为β粒子-具有平行和反平行自旋。如果违反了奇偶校验,那么所有发射的电子将是反平行的。吴的实验的巨大结果不仅在于所有发射的电子都是反平行的,而且在理论上它们是尽可能反平行的。几个月后,保利在给维克托·魏斯科普夫 Victor Weisskopf)的信中写道:“我不敢相信上帝是一个弱小的左撇子。”







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但是,仅左撇子粒子参与了弱相互作用-至少从我们的测量来看。在这方面,出现了一个有趣的问题,我们尚未进行测量:当光子参与弱相互作用时,左手和右手光子都在其中起作用,还是仅左手光子在其中起作用?例如,一只可爱的夸克(b)在微弱的相互作用中变成了一个奇怪的夸克,这通常在没有光子参与的情况下发生。然而,在少千比1,B夸克的一小部分仍然会成具有光子的发射一个s夸克。这种现象很少见,但您可以研究一下。



期望这样的光子应该总是左撇子。我们认为,标准模型中的奇偶校验是这样工作的(打破了弱互动)。但是,如果光子有时可以变成右手,那么在我们目前对物理学的理解中将会出现另一个裂缝。对这种衰减结果的预测包括以下内容:



  • 光子的意外极化
  • 与预期不同的不同衰减情况的百分比,
  • 违反CP不变性


最重要的是,可以通过CERN的LHCb合作研究此类机会。最近,他们对右手光子的可能性设置了有史以来最严格的限制。如果下面的图作为进一步实验的结果弯曲,使其不再包含原点(0,0),则表明我们发现了新的物理学。





粒子物理学中右手(C7-素数)和左手(C7)Wilson系数的实部和虚部必须保持在点(0,0)附近,以使标准模型保持正确。对涉及b夸克和光子的各种衰变的测量有助于对这些条件施加最严格的限制。在不久的将来,LHCb合作可能会进行更精确的测量。



我们可以肯定地说,宇宙相对于镜像是理想对称的,用反粒子代替粒子,粒子在粒子展开的时间方向上-对于所有相互作用和力,除了一个。在微弱的相互作用中,并且只有在它们之间,这些对称性不会保留。我们进行的所有测量表明,Pauli今天仍然会蒙受损失。在首次发现对称破坏之后60年,似乎弱相互作用仅与左手粒子有关。



由于中微子具有质量,因此最令人惊奇的实验之一就是我们可以非常接近光速的实验。然后,我们将超越左手的中微子,以便从我们的角度来看它的自旋将变为相反的中微子。粒子会突然显示出右手抗中微子的特性吗?还是会成为惯用右手但仍然像中微子一样的行为?无论它具有什么特征,它都可以向我们揭示有关宇宙基本性质的新信息。直到那天,我们找出宇宙是否真的像我们所认为的那样左撇子的最佳机会是间接测量。欧洲核子研究组织(CERN)正在进行这样的实验,他们正在寻找双无中微子β衰变



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