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原文作者：Silvia Pascoli & Jessica Turner
在鏡像世界裡，反粒子應該具有與粒子相同的行為方式。但實驗表明輕子（包括中微子、電子和其他更為奇特的相關粒子）也許並不遵循這種規律。
宇宙中所有可見的物質都是由基本粒子所構成的。被稱為費米子的基本粒子群包含兩類主要的粒子：一類是構成質子和中子的夸克；另一類則是包含電子、μ子、τ子和中微子等基本粒子的輕子。每一種基本粒子都有對應的反粒子，它們具有相同的特性但卻攜帶著相反的電荷，其中最為著名的例子是反電子（也稱為正電子）。人們長期認為在由反物質構成的鏡像世界中，反粒子應該具有與粒子相同的行為，但從1960年代開始人們發現夸克和反夸克打破了這種粒子與反粒子間的鏡像對稱性[1,2]。在《自然》雜誌中，T2K協作項目報告了可能在輕子中存在這種對稱性破缺[3]。
粒子-反粒子鏡像對稱性也被稱為電荷共軛宇稱反演對稱（charge-conjugation parity- reversal (CP) symmetry）。它基於宇稱結合了粒子和反粒子之間的對稱性（宇稱是指反物質鏡像世界中物理定律不會改變）。CP對稱性為何會破缺，其後果如何？這個令人困惑的問題是我們理解自然規律和宇宙演化的核心。
自從1967年Andrei Sakharov提出以來[4]，CP破缺就成為了解釋宇宙中物質稍多於反物質的關鍵之一。這種每百億個光子中包含幾個粒子的不平衡[5]，將最終解釋恆星、行星、地球和我們自己的存在：如果反物質和物質完全相等，在宇宙誕生的早期它們就會摧毀彼此並湮滅成光子，而不會剩下任何物質了。
初期完美對稱的宇宙是如何產生如此微小的物質盈餘的？在夸克中觀察到的CP破缺並不足以導致這一結果[6]，於是科學家們將目光轉向了輕子生成機制[7]（leptogenesis）中的輕子CP破缺。在解釋觀測到中微子質量的模型中，假設在宇宙早期存在大量較重的中微子夥伴，它們隨後發生衰變。在CP破缺中，這些衰變造成了觀測到的物質-反物質不對稱性。
輕子CP破缺的實質性發現將具有開創性意義。這一觀測連同已經被證明的輕子數不守恆，將為輕子生成機制提供強有力的佐證，而這（輕子生成機制）也是物質-反物質不平衡的起源[8,9]。
雖然輕子CP破缺難以捕捉觀測，但卻可以利用中微子進行搜索。這些基本粒子很難與普通物質發生相互作用，使得探測變得異常困難。儘管如此，它們卻無處不在：你的一杯咖啡中平均約存在十萬個滲透到宇宙中的「冷」中微子，而太陽中產生的則更多。
中微子具有三種不同的類別（味道），取決於其相關的帶電輕子：電子、μ子和τ子。人們曾長期認為中微子是沒有質量的，然而在1998年的超級神岡(Super-Kamiokande)實驗[10]和2002年的薩德伯裡中微子觀測站(Sudbury Neutrino Observatory)[11]中發現的中微子振蕩現象則證明了這些粒子確實具有質量。
中微子振蕩現象是指中微子在傳播過程中可以從一種味道轉換為另一種味道[12]。這是一種量子力學效應，主要緣於每一種中微子味道實際上都是由質量不同的三個狀態混合而成（一種量子疊加態）。重要的是，由於其各組分的演變不同，疊加態會隨著時間推移而發生變化（如圖一所示）。例如一個純μ子中微子可以部分地變為電子中微子。
圖1 | 中微子鏡像示意圖。中微子具有在三種味道（νe，νμ和ντ）之間隨時間轉換的奇異能力，這是由於組成它的三部分(質量態)有著不同的變化規律。圖中的波簡單地描述了每一個質量態對於中微子的貢獻。每種中微子都有對應的反中微子(圖中添加了上劃線)。對稱性定律意味著在由反物質構成的鏡像世界中，反中微子的行為應與中微子相同。但日本的T2K實驗結果表明，這種對稱性可能會發生破缺[3]。這一結果有望解釋宇宙包含的物質為何多於反物質。
自從中微子振蕩被發現後，許多實驗對該現象進行了分析，但直到最近幾年才觀測到從μ子中微子到電子中微子的微小振蕩[13,14]。這種振蕩發生的概率很小，但卻是輕子CP破缺的關鍵：如果CP對稱性守恆，那麼從μ子中微子到電子中微子的轉換振蕩概率應該與反μ子中微子到反電子中微子的轉換概率相同。T2K合作項目已經能夠以前所未有的精度研究這些振蕩，並且觀測到了輕子CP破缺的可能證據。
在T2K實驗中[15]，中微子束由位於日本東海的日本質子加速器研究中心產生。被高度加速的質子對緻密石墨靶進行轟擊，產生大量的π介子和κ介子。這些粒子衰變後會產生中微子束（或者反中微子束，這取決於所使用的條件），兩個位於280米外的探測器對此進行監測。
隨後中微子將會毫無阻攔地穿越地球，但其中一部分會被位於295千米外神岡天文臺地下的探測器探測到。這一位於日本池野山深處的探測器，包含五萬噸超純水，周圍環繞著巨大的光傳感器陣列。當中微子與與水中的中子發生相互作用時，會產生μ子或電子——取決於中微子的味道。T2K實驗會探測並區分出μ子和電子，從而確定碰撞中微子的味道以及μ子中微子到電子中微子轉換的振蕩概率。
T2K協作項目收集了2009年到2018年間中微子和反中微子的數據。通過結合其他的中微子振蕩實驗，研究人員已經理清了轉換概率對於不同參數的依賴性並給出了CP破缺證據。實驗結果以95%的置信度排除了CP守恆（這意味著發生了CP破缺），同時還顯示CP破缺參數很可能很大。這些結果可能是宇宙中物質-反物質不對稱性起源的最早標誌。
這無疑是激動人心的實驗。但非凡的結論也需要非凡的證據：確定輕子CP破缺的發生需要超過99.9999%的置信度。這需要更強的粒子束、更大的探測器和對於實驗特徵更深入的理解，來對振蕩概率進行更為精確的測量。
下一代大尺度多目標的中微子實驗正在準備迎接這一挑戰。日本的T2HK實驗[16]將在T2K技術的基礎上配備頂級神岡(Hyper-Kamiokande)探測器，該探測器將使用十倍於原先質量的水和更強的粒子束。頂級神岡探測器於今年二月獲批，即將開始施工。此外，地下深處中微子實驗[17]（Deep Underground Neutrino Experiment，DUNE）將在美國南達科他州利德市的桑福德實驗室展開，其技術設計報告已於二月發布[18,19]。DUNE將使用全新的探測器技術，其中包含四個裝有數千噸液氬的模塊，來探測位於1300千米外的伊利諾州巴達維亞費米實驗室產生的高強度中微子束。瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）較小的原型系統已經驗證了大型DUNE探測器的可行性。因此，T2HK和DUNE將會相互提供互補的技術和測量。在未來的十五年裡，它們很有可能會為我們探尋的CP破缺帶來明確的答案。
參考文獻：
1.Christenson, J. H., Cronin, J. W., Fitch, V. L. & Turlay, R. Phys. Rev. Lett.13, 138–140 (1964).
2.Gershon, T. & Nir, Y. in Review of Particle Physics Ch. 13, 238–250; http://pdg.lbl.gov/2019/reviews/rpp2019-rev-cp-violation.pdf (Particle Data Group; 2018).
3.The T2K Collaboration. Nature580, 339–344 (2020).
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6.Gavela, M. B., Hernández, P., Orloff, J. & Pène, O. Mod. Phys. Lett.A9, 795–810 (1994).
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11.Ahmad, Q. R. et al. Phys. Rev. Lett. 89, 011301 (2002).
12.Pontecorvo, B. Sov. Phys. JETP 26, 984–988 (1968).
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14.Acero, M. A. et al. Phys. Rev. Lett.123, 151803 (2019).
15.Abe, K. et al.Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res.A 659, 106–135 (2011).
16.Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration. Preprint at
https://arxiv.org/abs/1805.04163 (2018).
17.Acciarri, R. et al. Preprint at
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18.Abi, B. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2002.02967 (2020).
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原文以 Matter–antimatter symmetry violated為標題發表在2020年4月15日的《自然》新聞與觀點版塊
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Nature|doi:10.1038/d41586-020-01000-9
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