一項(xiàng)旨在更好地了解宇宙起源的新研究提供了對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)中一些最持久問(wèn)題的洞察力：如何擴(kuò)展粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)解釋宇宙物質(zhì)超過(guò)反物質(zhì)的過(guò)量現(xiàn)象?什么是暗物質(zhì)?將質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的力中意外但觀察到的對(duì)稱性的理論起源是什么?

在計(jì)劃于2020年3月17日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的論文“軸突發(fā)生”中，高級(jí)研究所自然科學(xué)學(xué)院的研究員Keisuke Harigaya和密歇根大學(xué)的Raymond T. Co提出了一個(gè)令人信服的案例，其中1977年首次理論化的量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)軸子為這些問(wèn)題提供了多個(gè)重要答案。

Harigaya說(shuō)：“我們揭示了QCD軸的旋轉(zhuǎn)可以解釋宇宙中發(fā)現(xiàn)的多余物質(zhì)。”“我們將這種機(jī)制稱為軸突發(fā)生。”

QCD軸極輕，比質(zhì)子輕至少十億倍，幾乎像鬼一樣。每秒有數(shù)百萬(wàn)的此類粒子不經(jīng)通知就通過(guò)普通物質(zhì)。但是，QCD軸的亞原子級(jí)相互作用仍然可以在具有空前靈敏度的實(shí)驗(yàn)中留下可檢測(cè)的信號(hào)。盡管從未直接檢測(cè)到QCD軸突，但這項(xiàng)研究為實(shí)驗(yàn)人員尋找難以捉摸的粒子提供了額外的動(dòng)力。

Co說(shuō)：“ QCD軸在解決基本物理奧秘方面的多功能性真是太了不起了。我們對(duì)QCD軸的這一新方面可以帶來(lái)的未探索的理論可能性感到非常興奮。更重要的是，實(shí)驗(yàn)很快就會(huì)告訴我們大自然的奧秘是否真的暗示了QCD軸心。”

Harigaya和Co認(rèn)為QCD軸子能夠同時(shí)填補(bǔ)物理拼圖中三個(gè)缺失的部分。首先，最初提出使用QCD軸來(lái)解釋所謂的強(qiáng)CP問(wèn)題-為什么將質(zhì)子和中子束縛在一起的強(qiáng)力意外地保留了稱為電荷奇偶校驗(yàn)(CP)對(duì)稱性的對(duì)稱性。CP對(duì)稱性是根據(jù)觀察到的，即中子盡管帶電，但不與電場(chǎng)反應(yīng)。其次，發(fā)現(xiàn)QCD軸是暗物質(zhì)的一個(gè)很好的候選者，它在理解從未直接觀察到的宇宙質(zhì)量的大約80%的組成方面可能是一個(gè)重大突破。在早期宇宙的工作中

當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)粒子相互作用時(shí)，它們會(huì)相互消滅。在大爆炸之后的一秒鐘的第一部分中，物質(zhì)和反物質(zhì)的存在量相等。這種對(duì)稱性阻止了一種物質(zhì)比另一種物質(zhì)占優(yōu)勢(shì)。今天，宇宙充滿了物質(zhì)，表明這種對(duì)稱性一定已經(jīng)被打破。Harigaya和Co引用了QCD軸心元兇。QCD軸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能產(chǎn)生了額外的重子或普通物質(zhì)。物質(zhì)的小幅傾斜會(huì)產(chǎn)生明顯的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，為當(dāng)今眾所周知的宇宙鋪平道路。

對(duì)新發(fā)現(xiàn)的QCD軸力動(dòng)力學(xué)的更多了解可能會(huì)改變宇宙的膨脹歷史，從而為重力波的研究提供參考。關(guān)于該主題的未來(lái)工作還可以提供對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)其他持久問(wèn)題的進(jìn)一步見(jiàn)解，例如微小中微子質(zhì)量的起源。

Harigaya補(bǔ)充說(shuō)：“自從理論和實(shí)驗(yàn)的粒子物理學(xué)家，天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家開(kāi)始研究QCD軸突以來(lái)，已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。我們希望我們的工作能夠進(jìn)一步推動(dòng)這些跨學(xué)科的研究工作。”