宇宙为何没在诞生之初自我湮灭？一种被忽视的粒子或被重新提起

为什么宇宙里会有东西存在？这个问题听起来像哲学，其实是物理学里一个很具体的难题。按现有理论，大爆炸应该同时造出等量的物质与反物质，两者相遇就会彼此湮灭，那么今天的星系、恒星和你我都不该出现。一项新研究把目光投向了一种长期被忽视的“幽灵粒子”，提出它或许能解释这个不对称是怎么来的。

这项研究发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。研究的主角是一种假想的“右手中微子”。论文合著者、英国南安普顿大学理论物理学家里沙夫·罗尚（Rishav Roshan）在给媒体的邮件中解释，右手中微子是假想粒子，不像标准模型里的左手 counterparts 那样参与弱核力，它不带电荷，而且质量要大得多。

要理解它为什么重要，得先说说中微子本身。中微子是出了名的“幽灵粒子”，几乎不与任何东西发生作用。一个来自太阳的典型中微子，要穿过一块厚达一光年的铅板——约5.9万亿英里（9.5万亿公里）——才可能撞上一个原子。中微子有三种“味”，在飞行途中会互相转换，这种转换依赖一种微妙的量子效应，而该效应只有在它们有质量时才成立。可问题在于，粒子物理的标准模型预言中微子应该是无质量的。

右手中微子就是修补这个矛盾的热门方案之一。粒子像小陀螺一样自旋，物理学家根据自旋方向与运动方向的相对关系，把它们分成左手和右手。右手粒子像普通螺丝被拧进去那样旋转，远离你时顺时针转；而迄今探测到的每一个中微子都是左手性的，飞离你时逆时针转，像一颗反扣螺纹的螺丝。

罗尚说，右手中微子可能与左手中微子混合，这有助于解释后者的质量，以及它们为什么会转换“味”。在量子物理里，能混合的粒子可以同时以两种身份存在。在一套名为“跷跷板机制”的理论框架中，每个普通中微子都携带一个重质量右手伙伴的微弱痕迹，正是这道痕迹给了它极小的质量。伙伴越重，痕迹越淡，普通中微子就越轻——名字正来自游乐场里那头一上一下的跷跷板。

这些粒子还被寄望于解决其他谜题。罗尚表示，它们“旨在处理若干问题，包括中微子质量的起源、宇宙的物质—反物质不对称，以及暗物质的本质”。在相关模型里，早期宇宙中涉及这些中微子的过程，可能造就了我们观测到的物质—反物质失衡。按这套图景，重中微子衰变后留下了轻子（电子所属的粒子家族）的轻微过剩，后来演变成今天物质的盈余。

跷跷板框架通常包含三个右手中微子，但两个就足以解释数据，于是物理学家常常忽略第三个，假定它要么太重，要么与物质的作用太弱。新研究恰恰盯上了这个被冷落的粒子。在团队的主要示例中，它的质量约为质子的100万亿倍。

研究计算了它在大爆炸之后会做什么。起初它以接近光速飞驰，能量像光一样衰减——随着空间膨胀而摊薄、波长被拉长、变得微弱。但随着宇宙冷却，它会慢下来，大部分能量锁进质量里，而质量只会被摊薄。于是它在宇宙能量中所占的份额不断增长，直到占据主导；这个长寿粒子会一直掌权，直到衰变成其他粒子。

罗尚说，研究表明这个被忽视的右手中微子“显著影响早期宇宙的膨胀动力学，驱动了一段早期物质主导时期”。这一改变“影响多种标准模型相互作用”，从而可能有助于解释物质—反物质不对称。每一种相互作用，都要等到它的速率超过空间膨胀速率才会启动。由于重中微子主导的宇宙膨胀得更快，这些相互作用就得等到宇宙进一步冷却才能登场。

这些相互作用会让早期宇宙得以区分轻子的“味”，进而影响物质盈余如何形成。团队发现，正因为这段延迟，一个质量约为质子100万亿倍的较轻右手中微子，可以在“味”被区分开之前就产生出观测到的物质量——即便重中微子的衰变已经稀释掉了一部分。

麻烦在于验证。这个重中微子质量太大，任何粒子加速器都造不出来，只能间接检验。引力波提供了一条路径：一个由重中微子主导的时代，会在早期宇宙引力波的背景里留下特征性的折角，比如来自“宇宙弦”——假想中空间里的线状缺陷——的引力波。罗尚指出，结果可以通过未来的设施来检验，例如激光干涉空间天线（LISA）和平方公里阵列天文台（SKAO）。LISA是欧洲空间局的太空任务，计划于2035年前后发射；SKAO是正在澳大利亚和南非建设的巨型射电望远镜项目，可以通过给遥远脉冲星计时来捕捉这类波。罗尚说，检验可能“随着这些设施上线并开始收集数据”而到来。炽热原初等离子体发出的一缕微弱嗡鸣也会带上那个时代的印记，只是频率超出了现有探测器的接收范围。

所以，这个答案目前还停留在“可能”的层面：一种假想粒子，一段被计算出来的早期主导期，一条尚未被数据验证的推理链。它是否真的解释了宇宙为何存在，要等下一代探测器开口说话。