工程師們在超級神岡探測器裡工作
最近，粒子物理學家公布了一項長達10年的研究結果，這讓我們在了解宇宙中反物質的去向方面，邁出了關鍵的一步。
我們都知道，宇宙物質可分為兩類：物質和反物質。其中每個物質粒子都有一個質量相同、電荷相反的反物質夥伴。但鑑於兩者之間的相似性，物理學家仍然不明白為什麼宇宙是由物質主宰的。
作為持續探索這個奧秘的一部分，許多的科學實驗正在努力尋找物質和反物質行為不同的地方。近期，日本的一個名為「T2K合作」的項目現已公布了研究結果。雖然，他們的論文沒有確認中微子與反中微子是否不同，但這項研究確實給了我們一些重要的線索。
來自芝加哥大學的沙丘中微子實驗的科學家就認為，這篇論文代表了反物質研究非常重要的一步。這表明，實驗已經提供了足夠的數據，可以開始對這個參數進行重要的約束。這是在確定CP對稱性是否被破壞的漫長道路上邁出的重要的第一步。（CP對稱是指中微子的行為是否不同於反中微子）
想像一下，如果物質和反物質是完全相同的，並且以完全相同的方式遵循物理定律，那麼宇宙中就只有光子了，因為物質和反物質在接觸時會相互湮滅。幾十年前，物理學家安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）提出了一個過程必須滿足的三個條件，以解釋物質多於反物質的現象。或者簡單地說，為什麼物質會存在。其中，也許最容易找到的條件是CP對稱性破壞，也就是一個粒子與同一粒子的鏡像（P，表示奇偶）之間的物理過程不同，而電荷相反（即C，表示電荷）。基本上，違反CP的過程是那些在粒子和它們的反粒子之間工作方式不同的過程。
科學家們發現了構成質子和中子的亞原子粒子夸克的CP破壞現象，但這仍然不足以解釋，為什麼宇宙中有如此多的物質。所以，他們也在尋找輕子中的CP破壞，輕子是一類包含電子和中微子的粒子。
最近，日本的T2K合作項目發布了自2010年以來的研究數據結果，尋找中微子中違反CP過程的證據。中微子是宇宙中最難探測，但數量最多的物質粒子。這個實驗並沒有證實或否認中微子是否經歷了違反CP的過程，但它給了科學家希望，也許很快就會有答案，並證明中微子可能違反了CP對稱性。
T2K由位於東京北部日本東海岸的粒子加速器組成，該粒子加速器通過使質子與目標碰撞而產生中微子束。 然後，這會產生一束其他粒子，這些粒子會衰減成中微子的第二種，稱為「μ子中微子」。 這束光束進入一個檢測中微子的探測器，然後穿過地球，行進近300公裡（186英裡），進入一個名為Super-Kamiokande（超級神岡）的探測器，一個裝有50000噸水和敏感管的水箱，用於探測水-中微子的相互作用 。
在這裡，研究小組測量了有多少中微子通過一個叫做中微子振蕩的過程，把它們轉變成電子中微子。 然後，T2K小組會切換加速器的磁場，從而產生μ子反中微子而不是μ子中微子，從而使他們能夠尋找電子反中微子而不是電子中微子。 最後，他們比較兩次測量的結果。
所需的複雜物理和分析，意味著這個實驗的結果並不是一個板上釘釘的答案。取而代之的是角度測量，稱為CP相位。如果CP相位測量為零、180或-180，則中微子不會違反CP對稱性（即，中微子和反中微子之間的情況是相同的）。如果角度測量到其他任何東西，它確實違反了CP對稱性 —— 中微子和反粒子之間的物理定律是不同的。這項新的研究強烈反對大範圍的角度，包括零，但不排除180個角度。根據發表在「自然」雜誌上的這篇論文，這似乎也意味著解釋數據的最佳角度在-90左右，這是CP對稱性破壞的最大數量。所有這些都傾向於這樣一個結論：即中微子和反中微子在一些非常重要的方面是不同的，但同樣，這還不足以確定。
T2K的研究人員表示，這一結果首次通過測量中微子振蕩，即通過測量µ子中微子到電子中微子的振蕩，和µ子反中微子到電子反中微子的振蕩，對輕子的CP相位施加了強烈的約束。
雖然，統計數據支持這樣一種假設，即中微子確實違反了CP對稱性，但實驗數據還沒有定論。事情的真相越來越接近了。也許更重要的是，它表明，未來的實驗，比如LBNF/DUNE和超級神岡的繼任者（Hyper-Kamiokande），將能夠在未來十年給出一個更可靠的答案。
T2K的科學家告訴我們，這些實驗將能產生更強大的中微子束，並將與更靈敏的探測器相結合，使科學家能夠更快地獲取數據並產生結果。通過這些新項目，研究人員在一年之內收集到的數據量與T2K在20年內收集到的數據量相同。就像物理學中經常出現的情況一樣，更多的數據將使科學家更接近宣布一項發現所需的嚴格統計閾值。另外，科學家還需要更好地模擬中微子如何與物質和探測器相互作用的物理理論。
最後，即使中微子確實違反了CP，這也不是故事的結局。這只是薩哈羅夫解釋物質 — 反物質不對稱之謎的三個條件中的一個。科學家們必須找到其他尚待發現的過程，如輕子或重子數破壞，本質上就是描述中微子和質子的核心數，以尚未被觀察的方式變化的過程，如質子衰變或中微子湮滅自己。即便如此，理論家們也必須找到正確的模型，在這個模型中，這些偏差實際上會導致在我們的宇宙中觀察到的物質和反物質之間的差異。還有可能，觀察輕子的CP破壞以及輕子數量破壞將提供間接證據，證明輕子是宇宙物質-反物質不對稱背後的罪魁禍首。
因此，搜尋研究工作仍需繼續，很可能會持續幾十年。我們必須把這次的研究成果看作是建造一座巨大建築的一顆小石頭。雖然它正向著正確的方向發展，但並沒有揭開其中的奧秘。
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