日本對中微子奇怪行為的新發現,或可以解釋長久以來的反物質之謎

科學家們認為,當宇宙誕生於近140億年前時,它所包含的物質數量與奇異的反物質數量相等。反物質粒子的質量與其“正常”的同類粒子相同,但電荷相反。當物質和反物質粒子碰撞時,它們以完美的效率湮滅,轉化成100%的純能量。(這就是為什麼科幻作家喜歡在他們的星際飛船上安裝物質反物質引擎的原因。)

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這就是奧秘所在:如果宇宙誕生時有相同數量的粒子和反粒子,它們都應該相互碰撞並湮滅,使我們的宇宙完全失去它們。但這顯然沒有發生,正如你的存在清楚地表明的那樣。結果是物質比反物質稍微多了一點——每十億個物質對中只有一個粒子反物質對。

多年來,物理學家們已經收集到了一些關於這個過剩物質之謎的線索。例如,在20世紀60年代,他們發現夸克和反夸克的行為並不完全相同。但這種違反“電荷共軛奇偶性反轉對稱性”(簡稱CP對稱)的現象,並不足以解釋物質與反物質之間的差異。

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也許,那可能只是一種不同類型的對稱破壞。畢竟,夸克——質子和中子的組成部分——並不是唯一的亞原子粒子。它們有一個稱為輕子的親戚,這一類包括電子、μ子、τ粒子和中微子(夸克和輕子又是費米子,是亞原子粒子的兩大類之一)。另一類是玻色子,包括攜帶力的粒子,如光子、膠子、希格斯粒子和尚未證實的引力子。

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一項新的努力尋找中微子CP對稱性破壞的跡象研究,得出了一些有趣的結果。這些數據主要來自位於東京市的日本質子加速器研究中心的T2K項目,該項目根據實驗裝置產生中微子或反中微子束。

絕大多數的束流粒子在地球上快速縮放,就像我們的星球不存在一樣。(中微子,綽號“幽靈粒子”,這種方式很奇怪)。但是在距離東海295公里的神岡天文臺,一些中微子被地下探測器標記。這個探測器是一個裝滿55000噸非常純淨水的水箱。當中微子與槽中的中子相互作用時,就可以產生μ子或電子。敏感的設備會把這些二次粒子收集起來。

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這樣的檢測包含了很多信息。例如,當中微子移動時,它們在三種不同的“味道”之間振盪:電子、μ子和τ。(是的,風味名稱很混亂,因為電子、μ子和τ也是不同粒子的名字。但是粒子物理學令人困惑!)味道類型決定了中子碰撞時產生的次級粒子。

T2K合作分析了該項目從2009年到2018年收集的數據,以及類似實驗的觀察結果。在4月15日在線發表在《自然》雜誌上的這項新研究中,研究人員報告說,他們發現了中微子和反中微子以不同方式振盪的證據。

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研究結果排除了95%置信水平下的CP守恆(也就是說,他們認為CP已發生破壞),並顯示CP破壞參數可能很大。這些結果可能是物質起源的第一個跡象——我們宇宙中的反物質不對稱。然而,需要澄清的是:結果本身並不能令人信服地證明中微子和反中微子違反了CP。但起碼看到了一些跡象。

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研究人員表示,採取下一步行動需要更多的數據。好消息是幾項下一代中微子實驗已經在進行中。例如,日本的T2HK將與T2K類似,但比T2K更強大,在2月份被正式啟用。而深地下中微子實驗(DUNE)將於2020年代中期投入使用。T2HK和DUNE將“提供互補的技術和測量方法”,它們可能會在未來15年內為我們尋求違反CP的問題提供明確的答案。

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