新论文揭示了婴儿的宇宙和物质起源

QCD轴子（黑球）的旋转会造成产生的物质（彩球）超过反物质，从而使星系和人类得以出现。图片：Harigaya and Co; NASA

为了更好地了解宇宙的起源而进行的一项新研究提供了对基础物理学中一些最持久的问题的解释：如何扩展粒子物理学的标准模型来解释宇宙中物质超过反物质的过量现象？什么是暗物质？将质子和中子结合在一起的力中意外但观察到的对称性的理论起源是什么？

在预定于2020年3月17日发表在《物理评论快报》上的论文“Axiogenesis”中，自然科学学院高级研究所的研究员Keisuke Harigaya和密歇根大学的Raymond T. Co提出了一个令人信服的案例，其中1977年首次理论化的量子色动力学（QCD）轴子对这些问题提供了几个重要的答案。

Harigaya说：“我们揭示了QCD轴子的旋转可以解释宇宙中发现的过量物质。我们将这种机制称为Axiogenesis。”

QCD轴子极轻，比质子轻至少十亿倍，几乎像鬼一样。每秒有数百万的此类粒子无法察觉地穿过普通物质。但是，在有前所未有的灵敏度的实验中，QCD轴子的亚原子级相互作用仍然会留下可检测的信号。尽管从未直接检测到QCD轴子，但这项研究为实验人员寻找难以捉摸的粒子提供了额外的动力。

Co说：“ QCD轴子在解决基本物理奥秘方面的多功能性真是太了不起了。我们对QCD轴子的这一新方面可以带来的尚未探索的理论可能性感到非常高兴。更重要的是，实验很快就会告诉我们大自然的奥秘是否真的暗示来自于QCD轴子。”

Harigaya和Co认为QCD轴子能够同时填补物理拼图中三个缺失的部分。首先，最初提出使用QCD轴子来解释所谓的强相互作用的CP问题 - 为什么将质子和中子结合在一起的强力意外地保留了CP对称性（Charge Parity symmetry）。CP对称性是根据观察到的，即中子尽管带电，但不与电场反应。其次，发现QCD轴子是暗物质的一个很好的候选者，它在理解从未直接观察到的宇宙质量的大约80％的组成方面可能是一个重大突破。在研究早期宇宙时，Harigaya和Co已确定QCD轴子也可以解释物质-反物质不对称性问题。

当物质和反物质粒子相互作用时，它们会相互消灭。在大爆炸之后的一小段时间，物质和反物质的存在量相等。这种对称性阻止了一种物质比另一种物质占优势。今天，宇宙充满了物质，表明这种对称性一定已经被打破。Harigaya和Co认为QCD轴子是罪魁祸首。QCD轴子运动产生的动能产生了额外的重子或普通物质。物质的小幅倾斜会产生明显的级联效应，为当今众所周知的宇宙铺平道路。

对新发现的QCD轴子动力学的更多了解可能会改变宇宙的膨胀历史，从而为引力波的研究提供参考。关于该主题的未来工作还可以提供对基础物理学其他持久问题的进一步见解，例如中微子质量的起源。

Harigaya补充说：“自从理论和实验的粒子物理学家，天体物理学家和宇宙学家开始研究QCD轴子以来，已经取得了很大的进步。我们希望我们的工作能进一步推动这些跨学科的研究工作。”