幾乎所有的粒子都有它們的反粒子夥伴。自反物質被提出來後，一直是科幻小說中的常客。例如在《天使與魔鬼》中，壞人們就試圖用反物質炸彈摧毀梵蒂岡，幸好蘭登教授帥氣的阻止了這個陰謀。而在《星際迷航》裡，企業號宇宙飛船的燃料正是反物質，利用正反物質的湮滅作為動力實現光速飛行。
如果你被反物質的真實存在所吸引，那麼今天要講的內容則更加迷人。在所有已知的粒子中，有一種非常特別的粒子，叫「中微子」。每一秒，都有數萬億的中微子穿過我們的身體，但我們卻毫無察覺。這種幽靈般的粒子一直都是前沿研究熱點，物理學家渴望多了解它們一些。
△ 中微子工廠：它們來自太陽、超新星和核裂變等。（圖片來源：Nature）
那麼現在的問題是，中微子的反粒子是什麼？物理學家認為它們的反粒子很有可能是它們自己！！！
這是怎麼回事？
故事要從大物理學家狄拉克說起。
【狄拉克 VS 馬約拉納】
1928年，狄拉克（Paul Dirac）提出了著名的狄拉克方程，並預言了反粒子的存在。他的工作涉及到解釋當電子以光的速度運動時會發生什麼。但他的計算有一個奇怪的要求，那就是電子有時擁有負能量。換句話說，反粒子是狄拉克方程的必然結果。
1932年，反粒子的存在就得到了驗證。物理學家安德森（Carl Anderson）發現了電子的反粒子，並稱之為正電子——跟電子一樣的粒子但具有正電荷。
除了具有反電荷外，狄拉克還預言了另一個反性質，稱為手徵性——粒子擁有的內在量子性質。一個粒子可以是右手徵或左手徵。
狄拉克的方程允許中微子和反中微子是不同的粒子，因此有四種可能類型的中微子：右手徵中微子、左手徵中微子、右手徵反中微子和左手徵反中微子。
但如果，正如過去所認為的那樣，中微子沒有質量，那麼只有左手徵中微子和右手徵反中微子需要存在。
△ 我們一般認為物質和反物質是不同的，就像天使與惡魔。但是馬約拉納中微子卻同時是天使與惡魔。（圖片來源：Fermilab Today）
1937年，義大利物理學家馬約拉納（Ettore Majorana）提出了另一個理論：中微子和反中微子事實上是一回事。馬約拉納方程描述的是，如果中微子是具有質量的，那麼中微子可以轉換成反中微子，再變回中微子。
【物質和反物質的不平衡】
中微子到底是有質量還是沒有質量？這個謎題一直等到了1998年才被揭開，日本的超級神岡探測器和加拿大SNO實驗發現中微子確實具有非常小的質量，他們也因此被授予2015年諾貝爾物理學獎。
自那之後，全世界各地都開啟了中微子實驗（包括我國的大亞灣中微子實驗室），尋找中微子是否是自己的反粒子的證據。
找到這個證據的關鍵東西被稱為「輕子數守恆」。科學家認為自然的基本定律要求輕子數守恆，也就是說輕子和反輕子的數量在發生相互作用的前後必須保持一樣。
科學家認為在宇宙大爆炸後，宇宙應該包含等量的物質和反物質。這兩種類型的粒子應該相互作用，並逐漸相互湮滅，最後只剩下能量。但不知發生了什麼，事情並沒有按預期的發生，在大爆炸後有更多的物質產生了。
因此，找到輕子數不守恆的證據就能夠回答我們「為什麼現在所看到的宇宙都是由物質構成的，而不是反物質。」
【尋找最罕見的衰變】
而尋找違反輕子數的關鍵在於一個叫做「無中微子雙β衰變」的過程。一個「普通」的雙β衰變允許一個罕見的衰變過程發生：原子核內的兩個中子會同時衰變成兩個質子、兩個電子和兩個反中微子。這樣就能夠使衰變過程的前後輕子數守恆。這已經在一些原子核中被觀測到了。
△ 左邊：雙β衰變，會釋放出反中微子；右邊：無中微子雙β衰變。（© CANDLES experiment）
但如果中微子是它們自身的反粒子，就有可能在雙β衰變過程中釋放的反中微子和另一個相互湮滅從而消失，並違反了輕子數守恆，造成了物質和反物質之間的不平衡。這個過程被稱為無中微子雙β衰變。
發現無中微子雙β衰變無疑意味著新物理的出現，因此有許多大型實驗室都利用了不同的技術和同位素來尋找該衰變的蛛絲馬跡。在眾多實驗中，鍺探測器陣列（GERDA）屬於領先的實驗室之一，它位於義大利格朗薩索國家實驗室地下1.4公裡深處。鍺探測器被置放在一個64立方米的冷液氬中，溫度為零下190攝氏度。如果在探測器中的35.6公斤鍺晶體內發生無中微子雙β衰變，那麼就會探測到產生的兩個電子的能量，當它們擊中探測器的時候會出現閃光。
△ 研究人員和高度靈敏的探測器。（圖片來源：M. HEISEL/GERDA）
由於無中微子雙β衰變的半衰期要比宇宙的年齡還高出好幾個數量級，因此想要探測到如此罕見的衰變就必須抑制一切可能的背景事件（比如宇宙射線，探測器周圍的天然放射性衰變）以提高靈敏度。
GERDA的團隊在4月6日發表在《自然》期刊的論文中指出，GERDA實驗已經完成了最重要的升級，前所未有的減少了任何可能的幹擾，成為了該領域第一個「無背景事件」的實驗。在前五個月的數據收集中，暫時沒有發現任何的無中微子雙β衰變，並計算了半衰期為10的25次方年。直到2019年，在該信號的能量區域間，將不會有任何的背景事件，這是很了不起的一個進步。一旦GERDA發現無中微子雙β衰變的信號，就能幫助我們解開物質和反物質間的不對稱，以及為什麼中微子的質量如此之低。
最後，值得一提的是，中微子和反中微子仍然有可能是不同的，狄拉克方程中預言的另外兩個中微子和反中微子態太過於神秘以至於我們還未發現。但如果我們找到無中微子雙β衰變的證據，那就意味著馬約拉納是對的——中微子和反中微子是一樣的。
不管怎樣，讓我們拭目以待。
參考文獻：
M. Agostini et al. Background-free search for neutrinoless double-β decay of 76Ge with GERDA, Nature (2017). DOI: 10.1038/nature21717