一項旨在更好地了解宇宙起源的新研究提供了對基礎(chǔ)物理學(xué)中一些最持久問題的洞察力：如何擴(kuò)展粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型來解釋宇宙物質(zhì)超過反物質(zhì)的過量現(xiàn)象?什么是暗物質(zhì)?將質(zhì)子和中子結(jié)合在一起的力中意外但觀察到的對稱性的理論起源是什么?

在計劃于2020年3月17日發(fā)表在《物理評論快報》上的論文“軸突發(fā)生”中，高級研究所自然科學(xué)學(xué)院的研究員Keisuke Harigaya和密歇根大學(xué)的Raymond T. Co提出了一個令人信服的案例，其中1977年首次理論化的量子色動力學(xué)(QCD)軸子為這些問題提供了多個重要答案。

Harigaya說：“我們揭示了QCD軸的旋轉(zhuǎn)可以解釋宇宙中發(fā)現(xiàn)的多余物質(zhì)。”“我們將這種機(jī)制稱為軸突發(fā)生。”

QCD軸極輕，比質(zhì)子輕至少十億倍，幾乎像鬼一樣。每秒有數(shù)百萬的此類粒子不經(jīng)通知就通過普通物質(zhì)。但是，QCD軸的亞原子級相互作用仍然可以在具有空前靈敏度的實驗中留下可檢測的信號。盡管從未直接檢測到QCD軸突，但這項研究為實驗人員尋找難以捉摸的粒子提供了額外的動力。

Co說：“ QCD軸在解決基本物理奧秘方面的多功能性真是太了不起了。我們對QCD軸的這一新方面可以帶來的未探索的理論可能性感到非常興奮。更重要的是，實驗很快就會告訴我們大自然的奧秘是否真的暗示了QCD軸心。”

Harigaya和Co認(rèn)為QCD軸子能夠同時填補物理拼圖中三個缺失的部分。首先，最初提出使用QCD軸來解釋所謂的強(qiáng)CP問題-為什么將質(zhì)子和中子束縛在一起的強(qiáng)力意外地保留了稱為電荷奇偶校驗(CP)對稱性的對稱性。CP對稱性是根據(jù)觀察到的，即中子盡管帶電，但不與電場反應(yīng)。其次，發(fā)現(xiàn)QCD軸是暗物質(zhì)的一個很好的候選者，它在理解從未直接觀察到的宇宙質(zhì)量的大約80%的組成方面可能是一個重大突破。在早期宇宙的工作中

當(dāng)物質(zhì)和反物質(zhì)粒子相互作用時，它們會相互消滅。在大爆炸之后的一秒鐘的第一部分中，物質(zhì)和反物質(zhì)的存在量相等。這種對稱性阻止了一種物質(zhì)比另一種物質(zhì)占優(yōu)勢。今天，宇宙充滿了物質(zhì)，表明這種對稱性一定已經(jīng)被打破。Harigaya和Co引用了QCD軸心元兇。QCD軸運動產(chǎn)生的動能產(chǎn)生了額外的重子或普通物質(zhì)。物質(zhì)的小幅傾斜會產(chǎn)生明顯的級聯(lián)效應(yīng)，為當(dāng)今眾所周知的宇宙鋪平道路。

對新發(fā)現(xiàn)的QCD軸力動力學(xué)的更多了解可能會改變宇宙的膨脹歷史，從而為重力波的研究提供參考。關(guān)于該主題的未來工作還可以提供對基礎(chǔ)物理學(xué)其他持久問題的進(jìn)一步見解，例如微小中微子質(zhì)量的起源。

Harigaya補充說：“自從理論和實驗的粒子物理學(xué)家，天體物理學(xué)家和宇宙學(xué)家開始研究QCD軸突以來，已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。我們希望我們的工作能夠進(jìn)一步推動這些跨學(xué)科的研究工作。”