超級神岡探測器捕捉到了什麼?小小中微子是否能解釋整個宇宙?

2020-12-03 天文在線

簡介:物質與反物質,或許正是因為不對稱,才導致現在物質主宰世界。那尋找這種不對稱性的方法有哪些,能怎麼做呢?日本一個山洞裡的巨大水池,或許可以提供一些啟發。

研究人員可能發現了存在於物理學某處的一種不對稱性。

超級神岡探測器(Super Kamiokande)內的一艘划艇上,兩名研究人員正在探測中微子撞擊水分子的過程。(圖片來源:T2K Collaboration)

在日本的一座山下面的山洞裡,有個巨大的水池,它已經靜止了很多年,通常情況下什麼都不會發生。

不過,每隔一段時間,水箱的邊緣就會有一個光環閃爍——這是一個電子或類似的、但更重的粒子(稱為μ子)通過水中的信號。中微子是一種微小的、幽靈般的粒子,在一種罕見的相互作用下,它撞向水箱中的水分子,電子和μ子是它們撞擊後的殘餘物。

超級神岡是世界上最大的中微子探測器,位於1000米(3300英尺)深的地下,位於日本靜田神岡地區的莫祖米鋅礦。(圖片來源:messynessychic)

多年來,T2K(T2K是一個粒子物理學實驗,為國際合作項目)的物理學家們一直在對這些光環進行計數,這些光環是一束強大的中微子束從183英裡(295公裡)外的另一個地下設施射入洞穴的唯一跡象。當T2K的物理學家計算這些環的數量時,他們將清晰的光環(通過水中充電的較重的μ子所產生)從模糊的光環(較輕的電子所產生的)中分離出來。

超級神岡探測器的圓頂水箱中有50000加侖的超純蒸餾水,13000個光電倍增管探測器(PMT)覆蓋在它的牆壁上。(圖片來源:messynessychic)

隨著時間的推移,物理學家們注意到他們的計數有出入。他們認為,這種差異有助於解釋宇宙中物質的存在。

物質和反物質本應互為鏡像,但它們並沒有

大爆炸之後,宇宙中存在著等量的物質和反物質,這兩種物質互成鏡像,一旦接觸就會相互毀滅。氫的反物質孿晶是反氫,電子的反物質孿晶是帶正電的正電子,介子有反子而中微子有反中微子等等。

反物質是指具有與正常亞原子粒子相反性質的亞原子粒子。(圖片來源:Nuclear-power)

反物質和物質很相似,事實上,這裡一直存在著一個未解之謎——為什麼它們一開始並沒有簡單地相互抵消,只留下一道亮光。這表明,粒子之間一定存在一些根本性的差異,這種不對稱性可以解釋為什麼物質會主宰反物質。我們已經發現了其中的一種不對稱性。

(圖片來源:Quora)

匹茲堡大學(University of Pittsburgh)物理學家、T2K合作組織成員馬克·哈茨(Mark Hartz)說:「其中一種(不對稱性)存在於在夸克中,夸克是構成質子和中子的粒子。」

早在1964年,物理學家就發現了構成質子、中子和其他粒子的亞原子粒子——夸克和反夸克的弱力相互作用之間的細微差別(弱力、強力、電磁力和重力是四種基本力)。但是夸克的不對稱性太弱,無法解釋宇宙的存在,一定還有別的不符之處。

六種類型的夸克及其對應的反夸克,不同色荷也有其對應的反色荷(圖片來源:LEGO)

未參與T2K合作項目的英國達勒姆大學(Durham University)物理學家西爾維婭·帕科利(Silvia Pascoli)說,還有一些關於另一種差異的理論,涉及一種叫做輕子的粒子。

輕子是像中微子、介子和電子這樣的粒子。她告訴《生活科學》,如果輕子和其反物質對應物之間存在不對稱性,那麼隨著時間的推移,不僅僅是物質輕子,構成原子大部分質量的物質重子的也會過剩。

中微子是一種難以捉摸的亞原子粒子。在宇宙的四種基本力中,中微子只與兩種力相互作用——引力和弱力,這兩種力導致了原子的放射性衰變。中微子幾乎沒有質量,以接近光速在宇宙中穿梭。(圖片來源:Shutterstock)

T2K合作組織對這個水箱裡的水進行了研究,試圖尋找輕子不對稱性的證據,物理學家認為,當中微子從一種類型「振蕩」到另一種類型時,輕子不對稱性就會變得可見。

中微子可能成為關鍵所在

中微子有三種類型:電子、μ子和τ子。每種類型都有自己的反中微子。所有這些粒子——中微子和反中微子——都會振蕩,這意味著它們會從一種類型轉變到另一種類型。μ子中微子可以變成τ子中微子或電子中微子,μ子反中微子可以振蕩成τ子反中微子或電子反中微子。

中微子有三種類型:電子中微子(Electron Neutrino)、μ子中微子(Muon Neutrino)和τ中微子(Tau Neutrino),這些分類被稱為中微子的「味」(Flavor)。中微子也按「質量」(Mass)分類,中微子1、中微子2和中微子3的質量分別為:m1、m2和m3。味和質量的分類是相互混合的,味本徵態和質量本徵態不能同時確定。舉例來說,電子中微子是中微子1、中微子2和中微子3的混合態。(圖片來源:Super-Kamiokande, ICRR, University of Tokyo

然而,這些振蕩需要時間。這就是為什麼T2K合作組織將中微子束髮生器和水箱(超級神岡探測器)分別置於相隔數百英裡的兩個地方。這給了μ子中微子束振蕩成電子中微子的時間,這正是T2K所要研究的振蕩過程。

中微子具有粒子和波的性質,因此,中微子1、中微子2和中微子3各自具有不同的質量本徵態,它們作為具有不同頻率的波在空間中傳播。中微子的味道被確定為質量本徵態的疊加。味的類型是振蕩的,因為波的相位是變化的。這種現象叫做中微子振蕩。(圖片來源:Super-Kamiokande, ICRR, University of Tokyo

即使這樣,電子中微子也很難被探測到。只有極少數電子中微子通過超級神岡探測器撞擊到水分子中,變成一個具有微弱模糊光環特徵的電子。

儘管如此,哈茨說,經過多年的努力,他們的中微子束從一個又一個短脈衝中被發射出來,超級神岡探測器的水下光子探測器現在已經在它的中微子和反中微子模式下看到了數百次振蕩,這足以得出一些真實的結論。

超級神岡的水箱裡遍布著一種叫做「光電倍增管」的探測器。當中微子與水中的一個原子碰撞產生一個電子時,物理學家可以追蹤電子的路徑,精確定位中微子的源(無論是垂死的恆星、災難性的宇宙事件,還是我們的太陽)的位置。(圖片來源:Kamioka Observatory, ICRR, University of Tokyo)

發表在《自然》雜誌上的一篇論文中,T2K合作組織以95%的置信度報告了中微子和反中微子束之間的差異——有力的證據表明,物質與反物質不對稱性的一部分來自中微子。

哈茨說,這裡的信息有限。T2K直接測量到的只是微弱低能中微子行為之間的不對稱性,要完全理解這種不對稱性以及它可能是如何塑造宇宙的,理論學家們將不得不把他們的數據外推到高能中微子上,並理解它對其他輕子的影響。

超級神岡探測器「觀察」到的電子中微子。(圖片來源: T2K)

他說,對於T2K,下一步是收集更多的數據,使他們的研究成果置信度提高到95%以上。另外,日本建造一個更大的「超級神岡探測器」的相關項目,以及美國的一個相關物理實驗——深地下中微子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment,簡稱DUNE沙丘),也可能加快研究步伐。

沙丘是由來自30個國家160多個機構的1000名科學家和工程師組成的團隊構思、設計和建造的,這是中微子科學的前沿實驗,包括中微子振蕩和CP破壞以及質子衰變研究。這個實驗,連同支持它的設施(稱為長基線中微子設施),是一個國際設計、協調和資助的項目,將在伊利諾州巴達維亞的費米國家加速器實驗室(費米實驗室)主持。(圖片來源:Msutoday)

但這一結果已經讓我們看到了嶄新大門開啟的第一束光,這可能有助於從時間之源解釋這種不對稱性。

作者:Rafi Letzter

FY:胖頭魚

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