為什么可觀測宇宙幾乎不包含反物質？反物質粒子具有與其物質相同的質量，但電荷相反。在實驗室里可以產生非常少量的反物質。然而，在宇宙的其他地方幾乎看不到反物質。

物理學家認為，在宇宙的早期歷史中，物質和反物質的數量是相等——那么反物質是如何消失的呢？密歇根州立大學(Michigan State University)的一名研究人員在《現代物理學評論》(Reviews of Modern Physics)上發(fā)表了一篇論文，對這些問題進行了研究。

博科園：密歇根州立大學稀有同位素束(FRIB)設施的物理學助理教授Jaideep Taggart Singh使用激光研究固體中的原子和分子，辛格在密歇根州立大學的物理和天文系有一個聯(lián)合任命。答案可能根植于亞原子粒子之間力的本質，當時間倒轉時（倒流）這些力并不相同。物理學家的理論是，這種時間逆轉的違背是解開宇宙中失蹤反物質之謎所必需的關鍵因素。這種違反力的時間逆轉導致粒子具有一種稱為永久電偶極矩(EDM)的性質。

60多年來，物理學家們一直在以越來越高的精確度尋找電火花，但從未觀測到它們。然而，最近粒子物理學理論預測可測量的EDMs。這導致了全世界范圍內對諸如中子、分子和原子等系統(tǒng)中的EDMs的研究。電火花加工的研究通常涉及在受控磁場中工作的原子鐘（空間上是均勻的，時間上是穩(wěn)定的）。在電場中，具有非零電火花加工(EDM)的超穩(wěn)定原子鐘會運行得稍快或稍慢。這類實驗的成功與否取決于物理學家能否很好地控制周圍的磁場和其他環(huán)境因素。

鐳和汞等原子的永久電偶極矩(EDM)主要是由來自核介質的力引起。目前對這些力的最佳限制來自于汞-199原子。西雅圖華盛頓大學研究人員發(fā)現，汞（hg） -199時鐘每400個世紀誤差不到一秒鐘。這個實驗是不可能改進的，除非能造出一個對環(huán)境因素不那么敏感的時鐘。一個與之競爭的實驗就是尋找鐳-225的EDM，由美國阿貢國家實驗室、密歇根州立大學和中國科學技術大學合作。稀有同位素鐳-225是一種有吸引力的替代品。它的“梨形”核(見圖)將可觀測到的EDM放大了幾個數量級，與汞-199的近球形核相比。

為了進行一個競爭性的實驗，一個鐳-225時鐘只需要穩(wěn)定到每兩年不到一秒。這是困難的，但卻是可行的。目前，鐳鐘的靈敏度僅受可用原子數量的限制(大約每天0.000005毫克)。在未來，使用更加“梨形”的原子核，比如稀有的同位素原酸-229，可能將這些EDM搜索靈敏度提高1000倍。換句話說，用質子原子鐘進行的競爭性實驗只需要每天穩(wěn)定到不到一秒鐘。辛格說：我們所看到的一切，以及其他可觀察到的宇宙之所以存在，是因為反物質在宇宙誕生時消失了。

發(fā)現時間反轉違背的新來源，也許是利用罕見的梨形核，將開始解釋這是如何發(fā)生的。FRIB將產生大量的梨形核，如鐳-225，并首次產生原錒-229。這將使尋找具有空前靈敏度的EDM成為可能，從而解答反物質之謎。密歇根州立大學將FRIB作為美國能源部科學辦公室核物理辦公室的一個新科學用戶設施。FRIB正在建設中，由密歇根州立大學運營，它將使科學家們能夠發(fā)現稀有同位素的性質，以便更好地理解原子核物理、核天體物理、基本相互作用，以及在社會上的應用，包括在醫(yī)學、國土安全和工業(yè)方面。

博科園-科學科普｜研究/來自:?密歇根州立大學

參考期刊文獻: 《現代物理學評論》

DOI: 10.1103/RevModPhys.91.015001

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