超級神岡探測器正在搜尋物質和反物質間的差異。圖片來源：日本神岡探測器

 

為何宇宙中充滿了物質而非反物質是物理學的最大謎題之一。現在，日本的一項研究或許給出了答案：中微子這種亞原子粒子在物質形態和反物質形態的表現不同。

在近日于美國芝加哥舉辦的高能物理國際會議（ICHEP）上，日本科學家表示，還需要收集更多數據才能對此理論進行確認。

“你可能打賭這種不同存在于中微子中，但直言我們能看到它還為時尚早。”西北大學理論物理學家André de Gouvêa說。

即便如此，這一發現似乎增加了中微子研究的興趣。這種廣泛存在但難以捕捉的粒子，似乎是揭開眾多物理學之謎的關鍵。

在粒子物理學領域，20世紀70年代建立的標準模型久經考驗而屹立不倒。但上世紀90年代，有一種粒子公然挑戰其規則，它就是中微子。根據理論，中微子不具有質量，但1998年，物理學家利用日本超級神岡探測器，發現中微子具有質量——盡管不足電子的十億分之一。

參與費米國家加速器實驗室NOvA中微子實驗的物理學家Keith Matera稱，從那時開始，世界各地的中微子實驗如雨后春筍一樣冒出，而且科學家也慢慢意識到，或許可以這一粒子為突破口獲得新的發現和解釋。“它們是標準模型中的缺口。”他說。

根據大爆炸理論和粒子物理理論，在宇宙誕生之初，能量轉化為同樣多的正物質與反物質，這兩種物質相遇會發生劇烈爆炸，轉化為能量，并歸于湮滅。可是目前宇宙中的天體均為正物質，沒有發現反物質天體。物理學家觀察了一些物質粒子和反物質粒子，如K介子和B介子的行為差異，但并不足以解釋物質為何會超越反物質，取得支配地位。

一個答案可能是超重粒子在宇宙誕生初期采用不對稱的形式衰變產生了更多的物質。一些物理學家認為，中微子的一種超重“親戚”可能是“幕后推手”。根據這一理論，如果中微子和反中微子現在表現得不一樣，那么，其更古老的對應物也應該存在類似的不平衡，這或許可以解釋為什么物質比反物質多。

為了測試這一想法，日本東海—神岡中微子實驗（T2K）的研究人員探究了物質和反物質中微子的差別，分析了在3種“味”之間振蕩的差異。中微子有3種：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。根據量子力學，不同的中微子之間可以相互轉換，人們稱之為中微子振蕩。

他們從位于東海海邊的質子加速器研究中心向295公里外的超級神岡探測器發射出一束μ子中微子。研究人員計算出了在此過程中有多少電子中微子出現——這是μ子中微子變成另一種中微子的信號。隨后，他們使用一束介子反中微子重復了這一實驗。

羅切斯特大學物理學家Konosuke Iwamoto在出席ICHEP時表示，兩束中微子的表現略有不同。

該研究團隊預測，如果物質和反物質的行為沒有差異，那么，他們將在探測器內發現24個電子中微子和7個電子反中微子——因為反物質更難生成和探測。

但結果他們發現了32個中微子和4個反中微子。紐約州立大學石溪分校物理學家、T2K實驗成員Chang Kee Jung說：“這表明物質和反物質的振蕩方式不一樣。”

但Jung還指出，盡管T2K和NOvA實驗提供的初步結果都表明了同樣的觀點，但迄今為止的觀察可能只是概率事件，如果中微子和反中微子的行為表現一模一樣，科學家們也有1/20的機會（2西格瑪）看見這樣的結果。

因此，科學家需要更多數據對這一信號進行驗證，T2K本輪實驗將運行到2021年，屆時它將獲得5倍多的數據，但該研究團隊將需要大約13倍的數據，才能將統計置信度提升到3西格瑪。

為了收集更多必需的數據，T2K團隊提出將實驗延續到2025年。不過，與此同時，他們也打算通過與NOvA合作，以加快搜集數據的速度。

NOvA實驗從費米國家實驗室發射一束中微子到810公里之外的位于明尼蘇達州北部的一座礦井下，并將于2017年發射反中微子束。Jung提到，這兩個團隊已經同意聯手對數據進行分析，到2020年，得到的數據的統計置信度有望達到3西格瑪。

不過，要想達到宣布某些數據為“一項發現”所需要的統計置信度5西格瑪，可能需要新一代的中微子實驗。

無論如何，物理學家幾乎以年為單位獲得各種中微子研究突破，Gouvêa表示，“對于粒子物理學而言，這種變化是非常快的”。

 

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變形中微子有望破解反物質之謎

圖文簡介

為何宇宙中充滿了物質而非反物質是物理學的最大謎題之一。現在，日本的一項研究或許給出了答案：中微子這種亞原子粒子在物質形態和反物質形態的表現不同。