困擾已久,反物質之謎!中微子的奇特行為或可揭開其神秘面紗

2020-12-23 天文在線

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

在我們確定之前仍需大量數據。

宇宙最大的謎團之一——為什麼物質多餘反物質。

離破解宇宙中最重要最基本的謎團之一,我們又近了一大步。

科學家們認為,在宇宙140億年前誕生之初,包含了等量的物質和它奇異的對應物——反物質。

反物質粒子與它們對應的正常的物質粒子擁有相同的質量,相反的電荷。也許最著名的一對就是電子(正常物質,帶負電荷)和正電子(反物質,帶正電荷)。

當物質和反物質粒子碰撞時,它們將以極高的效率湮滅,轉化成100%的能量。(科幻作家喜歡在他們的星際飛船上安裝物質-反物質引擎,正是由於這個原因)。

這其中暗藏謎團:如果在宇宙誕生時有相同數量的粒子和反粒子,它們本應該相互發現並結合湮滅,使我們的宇宙完全消失。但很明顯,那並沒有發生,你的存在就可以證明。最終結果是物質比反物質多了一點點——比例為每十億個物質反物質對中只有一個單粒子。物理學家這些年已經收集了一些有關超物質之謎的線索。例如,在20世紀60年代,他們發現夸克和反夸克的行為方式並不完全相同。但是這種對電荷共軛宇稱反轉對稱性(簡稱CP對稱性)的違背不足以解釋物質和反物質的差異。

一種不同的對稱性破缺可能是夸克(質子和中子的構造塊),但是夸克並不是唯一的亞原子粒子。夸克被稱作是輕子的親戚,輕子包括了電子,μ粒子,τ粒子和中微子。(夸克和輕子都是費米子,費米子是亞原子粒子的兩大類別之一。另一類是玻色子,包括了光子,膠子,希格斯粒子和尚未被證實的引力子等載力粒子)

一項新的研究在中微子中尋找CP對稱破缺的標誌,並得出了一些有趣的結果。大部分的數據來自於日本質子加速器研究設施(J-PARC)的T2K項目,根據實驗設置不同,會產生中微子或反中微子束。

絕大多數波束中的粒子快速地穿過地球,好像我們的地球不存在一樣(別稱「幽靈粒子」的中微子就像那樣奇異莫測)。但有一些粒子被距東海183英裡(295公裡)的神岡天文臺的一個地下探測器標記。該探測器是一個水箱,裝有55,000噸(50,000公噸)非常純淨的水。當一個中微子與水箱中一個中子相互作用,將產生一個介子或電子。靈敏的設備會收集這些間接產生的粒子

這樣的監測包括了很多信息。例如,隨著中微子的傳播,它們在三種不同的「 味」即電子中微子、μ子中微子和τ子中微子之間振蕩。(是的,味的名稱令人困惑,因為電子、μ子和τ子也是不同粒子的名字。但粒子物理學本就令人困惑!)而味的類型決定了它們在與中子碰撞的過程中產生什麼次級粒子。

T2K項目的合作組分析了2009年到2018年產生的數據,以及對相似的實驗的觀測。在這個4月15日發表在自然雜誌的新研究中,研究者們指出他們發現了中微子和反中微子震蕩方式不同的證據。英國杜倫大學的物理學家西爾維婭·帕斯克利和美國能源部費米實驗室的物理學家傑西卡·特納在同期自然雜誌的「新聞與觀點」中寫道,「這些結果在95%的置信度上排除了CP守恆(出現CP破缺),而且CP破缺的參數可能很大」

帕斯克利和特納並沒有參與這項新的研究,她們說:「這些結果可能是關於我們宇宙中物質-反物質不對稱起源的第一個提示。」然而,這些結果本身並不是中微子和反中微子CP破缺的確切證據。該研究的主要作者,日本京都大學的Atsuko K. Ichikawa在郵件中說道:「我們看到了某些跡象,我們的成果是觀測到CP破缺的重要的一步。」

Ichikawa強調,進行下一步的研究需要更多的數據。但好消息是:數個下一代的中微子實驗已經開始進行。比如日本的T2HK,它是T2K的升級版,帕斯克利和特納表示,它已經在2月份正式開始。還有2026年左右即將開始的深層地下中微子探測實驗(DUNE),將會利用費米實驗室的中微子束和探測器,以及南達科他的探測器來進行實驗。「T2HK和DUNE將會提供與之前的實驗互補的技術和探測,它們很可能會在未來15年內,給我們一個關於CP破缺的確切答案」

作者:Mike Wall

FY:Astronomical volunteer team

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