轴突生成：基础物理学的新见解与宇宙的起源

QCD轴（黑球）的旋转会在反物质上产生过多的物质（彩色球），从而使星系和人类得以生存。（形象的：Harigaya and Co照片：美国国家航空航天局（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本物理学中一些最持久的问题的见解：如何扩展粒子物理学的标准模型来解释物质在宇宙学上比反物质过量？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？

在计划于2020年3月17日发表在《物理评论快报》上的论文“轴突发生”中，高级研究所自然科学学院的研究员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）轴对这些问题提供了几个重要的答案。

“我们发现，QCD轴的旋转可以解释宇宙中发现的多余物质，” Harigaya说。“我们将这种机制称为轴突发生。”

QCD轴极轻，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不经通知就通过普通物质。但是，在具有前所未有的灵敏度的实验中，QCD轴的亚原子级相互作用仍然会留下可检测的信号。虽然从未直接检测到QCD轴突，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。我们为QCD轴的这一新方面带来的未曾探索的理论可能性感到非常高兴。更重要的是，实验可能很快就会告诉我们，自然界的奥秘是否真的暗示了QCD轴突。”

Harigaya和Co认为QCD轴突能够同时填充物理拼图中的三个缺失部分。首先，最初提出使用QCD轴来解释所谓的强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称为电荷奇偶性（CP）对称性的对称性。CP对称性是根据观察到的，即中子尽管带电，但不会与电场发生反应，因此可以推断出CP对称性。其次，发现QCD轴子是暗物质的一个很好的候选者，它在理解从未被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。在大爆炸之后的一秒钟的第一部分中，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了。Harigaya和Co引用了QCD轴心元凶。QCD轴的运动产生的动能产生了额外的重子或普通物质。物质的微小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轴力动力学的更多了解可能会改变宇宙的膨胀历史，从而为重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，例如微小中微子质量的起源。

“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轴突以来，已经取得了长足的进步。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。” Harigaya补充说。

参考：雷蒙德·T·科（Raymond T.Co）和圭加圭介（Keisuke Harigaya）的“轴突发生”，2020年3月17日，《物理评论快报》。
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