日本对中微子奇怪行为的新发现,或可以解释长久以来的反物质之谜

科学家们认为,当宇宙诞生于近140亿年前时,它所包含的物质数量与奇异的反物质数量相等。反物质粒子的质量与其“正常”的同类粒子相同,但电荷相反。当物质和反物质粒子碰撞时,它们以完美的效率湮灭,转化成100%的纯能量。(这就是为什么科幻作家喜欢在他们的星际飞船上安装物质反物质引擎的原因。)

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这就是奥秘所在:如果宇宙诞生时有相同数量的粒子和反粒子,它们都应该相互碰撞并湮灭,使我们的宇宙完全失去它们。但这显然没有发生,正如你的存在清楚地表明的那样。结果是物质比反物质稍微多了一点——每十亿个物质对中只有一个粒子反物质对。

多年来,物理学家们已经收集到了一些关于这个过剩物质之谜的线索。例如,在20世纪60年代,他们发现夸克和反夸克的行为并不完全相同。但这种违反“电荷共轭奇偶性反转对称性”(简称CP对称)的现象,并不足以解释物质与反物质之间的差异。

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也许,那可能只是一种不同类型的对称破坏。毕竟,夸克——质子和中子的组成部分——并不是唯一的亚原子粒子。它们有一个称为轻子的亲戚,这一类包括电子、μ子、τ粒子和中微子(夸克和轻子又是费米子,是亚原子粒子的两大类之一)。另一类是玻色子,包括携带力的粒子,如光子、胶子、希格斯粒子和尚未证实的引力子。

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一项新的努力寻找中微子CP对称性破坏的迹象研究,得出了一些有趣的结果。这些数据主要来自位于东京市的日本质子加速器研究中心的T2K项目,该项目根据实验装置产生中微子或反中微子束。

绝大多数的束流粒子在地球上快速缩放,就像我们的星球不存在一样。(中微子,绰号“幽灵粒子”,这种方式很奇怪)。但是在距离东海295公里的神冈天文台,一些中微子被地下探测器标记。这个探测器是一个装满55000吨非常纯净水的水箱。当中微子与槽中的中子相互作用时,就可以产生μ子或电子。敏感的设备会把这些二次粒子收集起来。

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这样的检测包含了很多信息。例如,当中微子移动时,它们在三种不同的“味道”之间振荡:电子、μ子和τ。(是的,风味名称很混乱,因为电子、μ子和τ也是不同粒子的名字。但是粒子物理学令人困惑!)味道类型决定了中子碰撞时产生的次级粒子。

T2K合作分析了该项目从2009年到2018年收集的数据,以及类似实验的观察结果。在4月15日在线发表在《自然》杂志上的这项新研究中,研究人员报告说,他们发现了中微子和反中微子以不同方式振荡的证据。

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研究结果排除了95%置信水平下的CP守恒(也就是说,他们认为CP已发生破坏),并显示CP破坏参数可能很大。这些结果可能是物质起源的第一个迹象——我们宇宙中的反物质不对称。然而,需要澄清的是:结果本身并不能令人信服地证明中微子和反中微子违反了CP。但起码看到了一些迹象。

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研究人员表示,采取下一步行动需要更多的数据。好消息是几项下一代中微子实验已经在进行中。例如,日本的T2HK将与T2K类似,但比T2K更强大,在2月份被正式启用。而深地下中微子实验(DUNE)将于2020年代中期投入使用。T2HK和DUNE将“提供互补的技术和测量方法”,它们可能会在未来15年内为我们寻求违反CP的问题提供明确的答案。

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