高能對撞機，如大型強子對撞機，被設(shè)計用來產(chǎn)生非常重的亞原子基本粒子，可能揭示新的物理學(xué)。然而，某些新物理學(xué)，如解釋暗物質(zhì)和物質(zhì)起源的物理學(xué)，可能涉及更重的粒子，需要比人類制造的對撞機所能提供的更多能量。事實證明，早期宇宙可能充當了一個超級對撞機。

加州大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)的研究人員解釋說，宇宙膨脹，即宇宙以指數(shù)增長的速度膨脹的時期，通常被認為是在大爆炸之前。

“宇宙膨脹提供了一個高能量的環(huán)境，使重的新粒子的產(chǎn)生以及它們的相互作用成為可能，”研究人員說。"膨脹宇宙的行為就像一個宇宙學(xué)對撞機，只是能量比任何人類制造的對撞機都要大100億倍"。

根據(jù)研究人員的說法，當宇宙膨脹時，由膨脹期間的高能事件形成的微小結(jié)構(gòu)被拉伸，導(dǎo)致在一個原本均勻的宇宙中出現(xiàn)不同密度的區(qū)域。這些微觀結(jié)構(gòu)隨后成為我們宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)的種子，這在今天被視為整個天空中的星系分布。研究人員指出，分析宇宙對撞機在今天的宇宙內(nèi)容中的印記，如星系和宇宙微波背景，可能會發(fā)現(xiàn)新的亞原子粒子物理學(xué)。

加州大學(xué)的研究人員和清華大學(xué)物理學(xué)助理教授鮮于中之在《物理評論快報》雜志上報告說，通過應(yīng)用宇宙學(xué)對撞機的物理學(xué)，并利用即將進行的SPHEREx和21厘米線斷層掃描等實驗的精確數(shù)據(jù)來測量我們的宇宙結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的宇宙起源之謎可能會被揭開。

研究人員說：“我們今天的宇宙是由物質(zhì)主導(dǎo)的，這一事實仍然是現(xiàn)代物理學(xué)中最令人困惑的長期之謎。早期宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)之間的微妙不平衡或不對稱性是實現(xiàn)今天的物質(zhì)主導(dǎo)地位所必需的，但在已知的基礎(chǔ)物理學(xué)框架內(nèi)無法實現(xiàn)。”

研究人員提議測試leptogenesis，這是一個眾所周知的機制，可以解釋我們宇宙中重子--可見氣體和恒星--不對稱的起源。如果宇宙開始時有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們就會相互湮滅成光子輻射，什么都不留下。由于今天物質(zhì)遠遠超過了反物質(zhì)，所以需要不對稱性來解釋這種不平衡。

研究人員指出：“Leptogenesis是產(chǎn)生物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的最有說服力的機制之一。它涉及一種新的基本粒子，即右手中微子。然而，人們長期以來認為，測試輕子發(fā)生幾乎是不可能的，因為右手中微子的質(zhì)量通常是有史以來最高能量的對撞機--大型強子對撞機--所不能達到的許多數(shù)量級。”

這項新工作提議通過解碼今天觀察到的宇宙結(jié)構(gòu)中天體空間分布的詳細統(tǒng)計特性來測試輕子發(fā)生，這讓人想起宇宙膨脹期間的微觀物理。研究人員認為，宇宙學(xué)對撞機效應(yīng)使得在通貨膨脹時代能夠產(chǎn)生超重的右手中微子。

“具體來說，我們證明了不對稱性產(chǎn)生的基本條件，包括右手中微子的相互作用和質(zhì)量，它是這里的關(guān)鍵角色，可以在星系或宇宙微波背景的空間分布統(tǒng)計中留下獨特的指紋，并且可以被精確測量，”研究人員說。“預(yù)計未來幾年的天體物理學(xué)觀測有可能探測到這種信號，并揭開物質(zhì)的宇宙起源。”