东方时讯网当像我这样的理论物理学家说我们正在研究宇宙存在的原因时，我们听起来就像哲学家。但研究人员使用日本斯巴鲁望远镜收集的新数据揭示了对这个问题的见解。
138亿年前，大爆炸开启了我们所知的宇宙。粒子物理学的许多理论表明，对于宇宙诞生时产生的所有物质，应该同时产生等量的反物质。反物质和物质一样，也有质量并占据空间。然而，反物质粒子表现出与其相应物质粒子相反的性质。
当物质和反物质碰撞时，它们会在强大的爆炸中相互湮灭，只留下能量。预测物质和反物质平等平衡的理论令人费解的是，如果它们是真的，那么两者就会完全消灭对方，使宇宙空虚。因此，在宇宙诞生时，物质肯定多于反物质，因为宇宙不是空的——它充满了由物质组成的物质，如星系、恒星和行星。我们周围存在一点反物质，但非常罕见。
作为一名研究斯巴鲁数据的物理学家，我对这个所谓的物质反物质不对称问题很感兴趣。在我们最近的研究中，我和我的合作者发现，望远镜对遥远星系中氦的数量和类型的新测量可能为这个长期存在的谜团提供答案。
大爆炸之后
在大爆炸后的最初几毫秒内，宇宙炽热、致密，充满了在等离子体中游动的基本粒子，如质子、中子和电子。这个粒子池中还存在中微子(它们是非常微小的、相互作用较弱的粒子)和反中微子(它们的反物质对应物)。
物理学家认为，大爆炸后仅一秒钟，氢和氦等轻元素的原子核就开始形成。这个过程被称为大爆炸核合成。形成的原子核大约有75%是氢原子核和24%是氦原子核，加上少量较重的原子核。
物理学界最广泛接受的关于这些原子核形成的理论告诉我们，中微子和反中微子在特别是氦原子核的形成过程中发挥了重要作用。
早期宇宙中氦的形成分两步过程。首先，中子和质子在涉及中微子和反中微子的一系列过程中从一个转化为另一个。随着宇宙冷却，这些过程停止，质子与中子的比率被设定。
作为理论物理学家，我们可以创建模型来测试质子与中子的比率如何取决于早期宇宙中中微子和反中微子的相对数量。如果存在更多的中微子，那么我们的模型就会显示出更多的质子和更少的中子。
在一系列高能粒子碰撞中，氦等元素在早期宇宙中形成。这里，D代表氘，一种具有一个质子和一个中子的氢同位素，γ代表光子或轻粒子。在所示的一系列链式反应中，质子和中子融合形成氘，然后这些氘核融合形成氦核。图片来源：安妮-凯瑟琳·伯恩斯
随着宇宙冷却，这些质子和中子形成氢、氦和其他元素。氦由两个质子和两个中子组成，而氢只有一个质子，没有中子。因此，早期宇宙中可用的中子越少，产生的氦就越少。
由于今天仍然可以观察到大爆炸核合成过程中形成的原子核，因此科学家可以推断出早期宇宙中存在多少中微子和反中微子。他们通过专门观察富含氢和氦等轻元素的星系来做到这一点。
氦气的线索
去年，斯巴鲁合作组织(SubaruCollaboration)——一群研究斯巴鲁望远镜的日本科学家——发布了距离我们星系很远的10个星系的数据，这些星系几乎完全由氢和氦组成。
使用一种技术，研究人员可以根据望远镜中观察到的光的波长来区分不同的元素，斯巴鲁的科学家们准确地确定了这10个星系中每个星系中存在多少氦。重要的是，他们发现的氦气比之前接受的理论预测的要少。
有了这个新结果，我和我的合作者逆向查找了产生数据中发现的氦丰度所需的中微子和反中微子的数量。回想一下你九年级的数学课上，当你被要求解方程中的“X”时。我的团队所做的本质上是更复杂的版本，其中“X”是中微子或反中微子的数量。
先前公认的理论预测，早期宇宙中中微子和反中微子的数量应该相同。然而，当我们调整这个理论以给出与新数据集匹配的预测时，我们发现中微子的数量大于反中微子的数量。
这是什么意思呢?
对新的富氦星系数据的分析具有深远的影响——它可以用来解释物质和反物质之间的不对称性。斯巴鲁的数据直接向我们指出了这种不平衡的根源：中微子。在这项研究中，我和我的合作者证明了这种对氦的新测量与早期宇宙中中微子多于反中微子是一致的。通过已知的和可能的粒子物理过程，中微子中的不对称性可能会传播为所有物质中的不对称性。
我们的研究结果是理论物理界常见的结果类型。基本上，我们发现了一种可行的方式来产生物质-反物质不对称性，但这并不意味着它肯定是以这种方式产生的。数据符合我们的理论这一事实暗示我们提出的理论可能是正确的，但仅这一事实并不意味着它是正确的。
那么，这些微小的中微子是回答这个古老问题“为什么万物存在?”的关键吗?根据这项新研究，它们可能就是这样。