宇宙中的“绳结”或能揭开宇宙存在的奥秘

日本一组物理学家团队现已证明，在一个同时能解决多个重大谜团（包括中微子质量起源、暗物质以及强CP问题）的现实粒子物理模型中，结状结构会自然形成。他们发表在《物理评论快报》上的研究表明，这种‘宇宙结’可能在剧烈变化的早期宇宙中形成，短暂成为主导能量形式，随后坍缩并略微倾向于产生物质而非反物质。在其形成和衰变过程中，这些结会搅动时空本身，产生独特的引力波模式，未来的探测器或许能够捕捉到——对于通常难以直接验证的问题而言，这一特性十分罕见。

该研究的通讯作者、日本广岛大学可持续发展国际研究所（WPI-SKCM2，专注于结状和手性超物质研究）特别任命教授栋田宗人（Muneto Nitta）表示：‘这项研究探讨了物理学最根本的谜团之一：为何我们的宇宙由物质而非反物质构成。这个问题至关重要，因为它直接关系到恒星、星系以及我们自身为何存在。’

### 物质与反物质的不平衡
根据大爆炸理论，宇宙最初应含有等量的物质和反物质。每种物质粒子都有一个反物质伙伴，它们质量相同但电荷相反，相遇时会湮灭为纯能量。如果一切完美平衡，所有物质和反物质本应相互湮灭，只留下辐射。然而，如今我们观测到的几乎所有事物都是由物质构成的，宇宙中几乎看不到反物质。简单计算表明，从单个原子到星系团，整个可观测宇宙的存在，是因为在早期宇宙中，每十亿对物质-反物质粒子中，仅多出一个物质粒子幸存下来。

粒子物理标准模型虽能成功描述大多数已知粒子和力，却无法解释这种微小但关键的不对称性。它对物质过剩的预测与实际观测相差多个数量级。理解这种少量物质过剩如何产生（即重子生成过程），仍是物理学中尚未解决的核心问题之一。

### 构建含宇宙结的新模型
栋田宗人与广岛大学WPI-SKCM2（一个专注于不同系统和尺度下结状及手性现象的研究中心）的江藤实（Minoru Eto），以及德国电子同步加速器研究所的滨田优（Yu Hamada）认为，一个合理的解决方案可能隐藏在对已知物理学的合理解释延伸中。通过将规范重子数减轻子数（B-L）对称性与佩奇-奎因（PQ）对称性相结合，该团队发现，稳定的结状结构可能在早期宇宙中自然形成，随后产生观测到的物质过剩。江藤实同时也是山形大学教授，三位科学家均隶属于日本庆应义塾大学。

### 幽灵般的中微子、轴子与隐藏对称性
这两种额外的对称性已被研究数十年，因为它们有助于解决标准模型的一些最大缺陷。PQ对称性解决了强CP问题——该问题询问为何实验未能探测到理论预测的中子微小电偶极矩。在解决这一谜题时，PQ对称性引入了轴子，这是一种假设粒子，也是暗物质的主要候选者。同时，B-L对称性为中微子为何具有质量提供了自然解释——尽管中微子与物质相互作用极弱，能穿过整个行星而不留下痕迹。

在该模型中，PQ对称性被保留为整体对称性而非‘规范对称性’，这保护了解决强CP问题所需的精密轴子物理。在物理学中，‘规范’对称性意味着允许其在时空中的每个点独立作用。这种自由度需要付出代价，因为理论需要一种新的力载粒子来保持方程一致。相反，通过规范B-L对称性，研究人员确保了重右手性中微子的存在——这些中微子是消除理论中的反常所必需的，并且在许多重子生成场景中发挥关键作用。规范B-L还产生类似超导体的行为，并建立了允许宇宙中一些最早的结形成的磁结构。

### 早期宇宙中的宇宙弦
大爆炸后，随着宇宙膨胀和冷却，它可能经历了一系列相变，其对称性分阶段破缺。这一过程可类比为水不均匀地冻结成冰，可能留下被称为宇宙弦的细长缺陷。这些物体常被描述为时空裂缝，虽仍属假设，但许多宇宙学家认为它们是一种严肃的可能性。尽管比质子还细，但仅一英寸长的这种弦重量可能相当于一座山。随着宇宙成长，这些弦网络会拉伸、扭曲和缠绕，保留早期宇宙条件的信息。

B-L对称性破缺产生的弦表现得像磁通量管，而PQ对称性产生的超流涡旋则不带磁通量。这两种缺陷之间的显著差异正是它们能够结合的原因。B-L通量管为PQ超流涡旋的陈-西蒙斯耦合提供了附着结构。反过来，这种耦合允许PQ超流涡旋将电荷泵入B-L通量管，并对抗通常会导致环收缩和断裂的张力。结果是形成一种被称为结孤子的长寿命拓扑锁定状态。栋田表示：‘此前无人同时研究这两种对称性，这对我们来说有点幸运。将它们结合起来揭示了一种稳定的结。’

### 结主导时代与量子隧穿
在膨胀的宇宙中，辐射随着波长随 spacetime 拉伸而逐渐失去能量。然而，结的行为更像普通物质，因此其能量密度下降得慢得多。结果，它们最终超过辐射占据主导地位，在宇宙历史中创造了一个阶段——此时结中储存的能量控制着宇宙的演化。

这个阶段并未永远持续。结最终通过量子隧穿解开——在这一过程中，粒子穿过经典物理学中无法逾越的能量势垒，就像穿墙而过。当结坍缩时，由于其结构中嵌入的B-L对称性，会直接产生重右手性中微子。这些质量极大、难以捉摸的粒子随后衰变为更轻、更稳定的粒子，且略微倾向于物质而非反物质。这种微小的偏好最终导致了我们今天看到的充满物质的宇宙。

研究合著者滨田优解释道：‘基本上，这种坍缩会产生大量粒子，包括右手性中微子、标量玻色子和规范玻色子，就像一场粒子雨。其中，右手性中微子很特殊，因为它们的衰变能自然产生物质与反物质的不平衡。这些重中微子衰变为更轻的粒子，如电子和光子，产生二次级联， reheats the universe（再加热宇宙）。’他补充说：‘从这个意义上说，它们是当今宇宙中所有物质（包括我们自身）的‘父母’，而这些结可以被视为我们的‘祖父母’。’

### 将结物理与当今宇宙联系起来
为验证他们的想法，研究人员详细追踪了模型的数学结果，包括结产生右手性中微子的效率、这些中微子的质量，以及它们衰变时宇宙的温度。通过这一计算，今天观测到的物质-反物质不平衡自然出现。

通过重新排列方程，并假设重右手性中微子的实际质量为10¹²吉电子伏特（GeV），且结将其储存的大部分能量转化为产生这些粒子，模型预测再加热温度约为100 GeV。这一温度恰好与宇宙从微子不平衡产生物质的最后机会相吻合。低于此温度，将中微子不对称转化为物质过剩的电弱过程实际上会停止。

再加热至100 GeV还会影响宇宙的引力波背景，使其频谱向更高频率偏移。未来的引力波观测站，包括欧洲的激光干涉空间天线（LISA）、美国的宇宙探测器（Cosmic Explorer）和日本的分赫兹干涉仪引力波天文台（DECIGO），或许有一天能够探测到宇宙引力波信号的这种细微变化。

江藤实表示：‘宇宙弦是一种拓扑孤子，这类物体由无论如何扭曲或拉伸都保持不变的量来定义。这种特性不仅确保了它们的稳定性，也意味着我们的结果并不依赖于模型的具体细节。尽管这项工作仍属理论，但底层拓扑结构不会改变，因此我们认为这是迈向未来发展的重要一步。’

### 从开尔文的愿景到现实的结模型
开尔文勋爵最初提出结可能是物质的基本组成部分。这一早期想法后来被证明是不正确的，但这项新研究以更复杂的方式重现了他的提议精神。研究人员认为，他们的结果‘首次提供了一个现实的粒子物理模型，其中结可能在物质起源中发挥关键作用’。

栋田表示：‘下一步是完善理论模型和模拟，以更好地预测这些结的形成和衰变，并将它们的特征与观测信号联系起来。特别是，即将进行的引力波实验，如LISA、Cosmic Explorer和DECIGO，将能够测试宇宙是否真的经历过结主导时代。’最终，该团队希望确定结状结构是否真的对宇宙中物质的产生至关重要。如果是这样，它们将有助于拼凑出一个更完整且可物理验证的宇宙起源故事。