本文經授權轉載自微信公眾號「原理」（ID：principia1687）
在宇宙中，所有的可見物質都是由夸克和輕子組成的。夸克有六種：上、下、奇、粲、底、頂。同樣地，輕子也有六種：電子、μ子、τ子和三種中微子。這些基本粒子都有其相應的反物質粒子，它們具有相同的性質，但卻擁有相反的電荷。
○ 基本粒子包括夸克、輕子和玻色子。
在138億年前，宇宙大爆炸後應產生了相同數量的物質和反物質。當它們相遇時會全部湮滅，只留下能量。然而，這樣的事情顯然沒有發生，否則今天我們就不會看到恆星、行星，甚至是生命的出現了。究竟是什麼導致了物質和反物質之間的輕微不對稱性，使今天的宇宙全是由物質組成的，而不是反物質？已知的物理學定律還無法完全回答這個問題。
1967年，物理學家Andrei Sakharov提出，如果宇宙滿足幾個條件那麼就有可能演化出一個由物質主導的世界，其中一個條件便是CP對稱性（C代表電荷共軛，P代表宇稱）必須被打破。簡單來說，CP對稱性指的是，在一個鏡像世界中，反粒子的行為應當和粒子完全相同。
曾經，物理學家認為物質和反物質應當遵循CP對稱性，但在上個世紀60年代，物理學家發現夸克和反夸克打破了CP對稱性（或說CP破壞）。去年，物理學家也第一次在粲粒子（包含粲夸克的粒子）衰變中觀測到了CP破壞。但問題是，從夸克中所觀察到的CP破壞的量完全不足以解釋最初的物質和反物質之間的不對稱性。一直以來，物理學家也試圖在非夸克基本粒子系統中觀測CP破壞，但沒有成功，因此一些大型實驗一直致力於尋找CP破壞的新來源。
4月15日，在一篇發表於《自然》的新論文中，來自T2K實驗的科學家首次報告了他們可能在輕子中發現了CP破壞的證據。
○ 新論文登上了《自然》封面。
物理學家提出了一種”輕子數產生”的機制來解釋為何輕子中的CP破壞可以產生物質-反物質不對稱性。在那些用來解釋觀測到的中微子質量的模型中，科學家假設早期宇宙中存在大量比中微子更重的拍檔粒子，這些粒子隨後發生了衰變。CP破壞有可能導致這些衰變可以產生我們現在所觀測到的物質-反物質不對稱性。新發表的結果為輕子數產生機制提供了強有力的間接證據。
輕子的CP破壞非常難以捕捉的，科學家可以通過測量中微子來對其進行探索，這是一類幾乎不與普通物質相互作用的基本粒子，因而加大了探測難度。中微子最不為人所知，卻又無處不在，它們瀰漫在整個宇宙中，誕生於太陽或其他恆星的核反應中，每秒鐘大約有100萬億個中微子穿過你的身體。
中微子有三種“味”：電子中微子、μ子中微子、τ子中微子。就像其他亞原子粒子一樣，它們也有相應的反中微子。與其他粒子不同，中微子最特別之處在於，在它們的傳播過程中，會從一種味轉變成另一種味，這被稱為中微子振盪。
自中微子振盪被發現以來，已經有好些實驗對其進行了分析。但直到最近幾年，科學家才觀測到了從µ子中微子轉變成電子中微子的微小振盪。這種振盪發生的概率很小。如果CP對稱性是守恆的，那麼µ子中微子轉變成電子中微子的振盪概率將與反µ子中微子轉換成反電子中微子的振盪概率相同。
現在，T2K實驗以前所未有的精度研究了這些振盪，並觀察到了輕子CP破壞的可能證據。
在實驗中，日本質子加速器研究中心會生成一束中微子，這些被高度加速的質子會與高密度的石墨靶相撞，產生大量被稱為π介子和K介子的粒子。這些粒子會衰變，產生中微子束或反中微子束，被280米開外的兩個探測器監測。
隨後，這些中微子會不受阻礙地穿越地球，其中有一些則會被位於295公里之外的處於日本池野山地下深處的神岡天文臺的探測器所探測到。這一探測器是由5萬噸超純淨水組成的，在其周圍環繞著大量靈敏的光傳感器。當一箇中微子與水中的中子發生相互作用時，它會根據它自身的味而產生一個µ子或一個電子。T2K實驗會探測到這些µ子和電子，並對它們進行分辨，從而識別出發生撞擊的中微子的味，以此測量µ子中微子轉換成電子中微子的振盪概率。
T2K合作項目分析了從2009年到2018年之間收集到的中微子和反中微子數據。通過與其他中微子振盪實驗的結果相結合，研究人員梳理出了轉換概率對各種參數的依賴關係，從而提供了CP破壞的證據。他們以95%的置信水平排除了CP守恆，這表明CP破壞參數可能很大（如果中微子和反中微子的行為完全一樣，那麼CP破壞參數應當為零）。
這樣的測量結果無疑是令人興奮的。但如果想要最終肯定這一發現，就需要無比牢靠的證據加以佐證——他們需要超過99.9999%的置信水平才能確定真的發生了輕子CP破壞。因此，研究人員還需要用更強的光束、更大的探測器、更精妙的實驗設計，來更精確地測量振盪概率。
未來，下一代的中微子實驗將迎面挑戰這一重任。日本的T2HK實驗就是一個基於與T2K實驗相同的技術的升級版，它將使用T2K實驗所用到的10倍質量的水和更強的光束。
今年2月，T2HK已獲得了官方批准，很快就將投入建設之中，它將與位於美國的DUNE一起，相互提供互補的技術和測量方法。或許在未來15年裡，我們就能對為什麼我們可以存在於這個宇宙中有著更清晰的答案。
參考來源：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01000-9
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01022-3
https://www.quantamagazine.org/neutrino-evidence-could-explain-matter-antimatter-asymmetry-20200415/
原題目：新證據：為什麼宇宙是由物質構成的？
來源：原理
編輯：米老貓
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