日本T2K實驗近日發現了“撼動宇宙的粒子”中微子和它們的鏡像反中微子之間行為差異的最有力證據。
眾所周知，宇宙誕生於一次大爆炸。
然而大爆炸之後發生了什麼，人類到現在也沒完全搞清楚。
比如說，我們發現的物理規律是對稱的，那麼對稱的定律就會讓大爆炸產生的正物質和反物質一樣多。
但正物質和反物質遇到一起就“灰飛煙滅”，所以如果正反物質一樣多，宇宙不會有質子電子，更不會有原子，更不會有生命誕生。
究竟是什麼打破了宇宙的對稱性？
在本週的《自然》雜誌上，研究人員追隨Cowan的腳步，認為中微子和反中微子之間的行為差異，或者說不對稱性，可能有助於解釋宇宙中最大的謎團之一，物質為何多於反物質。
T2K實驗證明宇稱不守恆
新研究主要歸功於日本的T2K粒子物理實驗室，T2K意思是日本的東海（Tokai）到神岡（Kamioka），這是一個國際粒子物理合作項目，由數百名物理學家組成。早在2016年，T2K 團隊開始看到中微子和反中微子行為不對稱的跡象。經過多年的數據收集和分析，他們的最新證據也越來越詳實。
T2K實驗室
T2K實驗室發言人，日內瓦大學的 Federico Sanchez Nieto在《自然》雜誌上報道了最新的實驗結果。他說: “我很興奮，因為這是我們第一次有了可靠的證據。”
自20世紀90年代以來，實驗發現表明，中微子有三種“味”，分別為電子e、渺子μ和陶子τ中微子。這裡說的“味”不是味覺的“味”，而是基礎粒子的一種屬性。任何一味的中微子都會隨著時間變化而“變味”，也就是振盪。
自2010年以來，T2K 的科學家們一直在製造高密度的μ介子中微子和反中微子束，並將它們傳送到295公里外的超級神岡探測器中微子觀測站，那裡有一個地下裝有50000噸純水的大水箱，還裝著傳感器。
1996年實驗初期向水箱中灌水
中微子到達時，會與水箱內的原子相互作用，輻射指示器會發出閃光。科學家們努力想看看，這些中微子和反中微子在它們的“越野旅行”中是否會發生振盪，從 渺子μ 變成了電子e。而一直到2013年7月19日都沒有沒有觀察到振盪跡象。
但最新的數據表明，中微子比反中微子有更高的振盪概率，這種區別可以用宇稱不守恆來表示。宇稱不守恆，是粒子物理學中的一個術語。它說明在一個物理過程中的宇稱對稱被破壞了。
實驗中，如果宇稱守恆，則表明中微子和反中微子行為相同，按道理實驗將會檢測到大約68個電子中微子和20個電子反中微子。但事實是，實驗中發現了90個電子中微子和只有15個電子反中微子，這種中微子和反中微子高度不均等的結果證明，宇稱不守恆很可能不僅僅是理論。
研究人員表示，“我們點燃了第一根蠟燭，但是終極大獎——對宇稱不守恆的最終發現——還沒有到來。”
美國的 NOvA 實驗也在檢測中微子振盪，用來發現宇稱不守恆。但即使把T2K實驗室和NOvA的結果加起來，也不能證明結論的完全準確。
未來，美國將於2027年開展一個更大規模的實驗，名為 DUNE。T2K 的後續實驗叫做 T2HK，應該能夠進一步測量到精準的宇稱不守恆。
中微子的其他趣聞
最後，還有一事值得分享。
中微子，一直是粒子物理學界的研究熱點。
關於中微子的研究，還發生過許多有趣的故事。
比如去年11月，天才數學家陶哲軒破天荒和三位素昧平生的物理學家，一起發表了一個簡單方程式，求解特徵向量的數學論文，事情的起因就是中微子振盪研究。
三位物理學家在計算中微子振盪概率的時候發現：特徵向量和特徵值的幾何本質，其實就是空間矢量的旋轉和縮放。而中微子的三個味（電子，μ子，τ子），不就相當於空間中的三個向量之間的變換嗎？
還有“中微子超光速”烏龍記。
2011年9月，意大利OPERA研究組在歐洲核子中心宣佈：他們在實驗中發現中微子的速度“跑”過了光速。這一發現挑戰了愛因斯坦狹義相對論中“光速不可超越”的理論基礎，引起極大關注。
不過，2012年初，研究人員發現其實是設備硬件問題造成了“超光速”的結果，鬧了個大烏龍。
接下來，為了更精確的結果，各國的科學家們還要繼續挖更大的坑、灌更多的水。
中微子和超級神岡是否會成就下一個諾貝爾獎呢？
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