【博科園-科學(xué)科普（關(guān)注“博科園”看更多）】本周,，包括麻省理工學(xué)院研究人員在內(nèi)的國(guó)際物理學(xué)家小組報(bào)告了地下實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)結(jié)果,，該實(shí)驗(yàn)旨在回答物理學(xué)最基本的問(wèn)題之一：為什么我們的宇宙主要由物質(zhì)構(gòu)成？根據(jù)理論,，大爆炸應(yīng)該產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)——后者由“反粒子”組成,，它們本質(zhì)上是物質(zhì)的鏡像，只與質(zhì)子,、電子,、中子和其他粒子的電荷相反。然而我們生活在一個(gè)絕對(duì)物質(zhì)的宇宙中,，主要是由星系,、恒星、行星和我們?cè)谖覀冎車吹降囊磺惺挛锼鶚?gòu)成——而且?guī)缀鯖](méi)有反物質(zhì),。物理學(xué)家認(rèn)為,，在大爆炸之后的第一個(gè)時(shí)刻，某些過(guò)程肯定會(huì)使天平偏向物質(zhì),。一個(gè)這樣的理論過(guò)程涉及到中微子——一種粒子,，盡管它幾乎沒(méi)有質(zhì)量，與其他物質(zhì)幾乎沒(méi)有相互作用，但它被認(rèn)為滲透到宇宙中,，每秒鐘都有數(shù)以萬(wàn)億的幽靈般的粒子在我們的身體里無(wú)害地“流著”,。

低溫恒溫器中安裝的19個(gè)CUORE塔的底視圖。圖片：CUORE Collaboration

中微子可能是它自己的反粒子,，這意味著它可能有能力在物質(zhì)和反物質(zhì)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。如果是這樣的話，物理學(xué)家們相信這可能解釋了宇宙的不平衡,，因?yàn)樵诖蟊ê螽a(chǎn)生的更重的中微子,，會(huì)在不對(duì)稱的情況下衰變，產(chǎn)生更多的物質(zhì),，而不是反物質(zhì)本身,。一種確認(rèn)中微子是它自己的反粒子的方法是探測(cè)一種非常罕見的過(guò)程，稱為“中微子雙衰變”,，在這種過(guò)程中，一種穩(wěn)定的同位素,，如碲或氙,，會(huì)釋放某些粒子，包括電子和反中微子,，因?yàn)樗匀粫?huì)衰變,。如果中微子確實(shí)是它自己的反粒子，那么根據(jù)物理學(xué)的規(guī)則,，反中微子應(yīng)該相互抵消，而這個(gè)衰變過(guò)程應(yīng)該是“中性的”,。這一過(guò)程的任何測(cè)量都只能記錄從同位素中逸出的電子,。

這個(gè)名為CUORE的地下實(shí)驗(yàn)是為罕見事件的低溫地下觀測(cè)站所設(shè)計(jì)的，目的是探測(cè)一種由988個(gè)碲化碲的自然衰變而產(chǎn)生的中性雙衰變,。在本周發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)的一篇論文中,，研究人員，包括麻省理工學(xué)院(MIT)的物理學(xué)家們,，報(bào)告了CUORE收集的頭兩個(gè)月的數(shù)據(jù)(意大利語(yǔ)為“心”),。雖然他們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泄密的過(guò)程，但他們已經(jīng)能夠設(shè)定最嚴(yán)格的限制,，如果存在的話,，這一過(guò)程應(yīng)該花費(fèi)多少時(shí)間。根據(jù)他們的研究結(jié)果估計(jì)一個(gè)碲的單個(gè)原子應(yīng)該經(jīng)歷一個(gè)中微子的雙衰變,。

考慮到實(shí)驗(yàn)中988個(gè)晶體中大量的原子,，研究人員預(yù)測(cè)，在未來(lái)的5年內(nèi),，他們應(yīng)該能夠檢測(cè)出至少5個(gè)正在經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程的原子,，如果它存在的話,，就能提供確鑿的證據(jù),，證明中微子是它自己的反粒子,。麻省理工學(xué)院物理學(xué)的職業(yè)發(fā)展助理教授，也是該研究的負(fù)責(zé)人CUORE成員Lindley Winslow說(shuō)：這是一個(gè)非常罕見的過(guò)程——如果觀察到,，這將是迄今為止測(cè)量過(guò)的最慢的東西，最令人興奮的是我們能夠一起運(yùn)行998個(gè)晶體,，現(xiàn)在正在尋找一些東西。CUORE的合作包括大約150名主要來(lái)自意大利和美國(guó)的科學(xué)家,。包括溫斯洛和麻省理工學(xué)院的一小隊(duì)博士后和研究生。

宇宙中最冷的立方體

在意大利中部的一座山深處,，庫(kù)爾實(shí)驗(yàn)被埋在地下深處，以保護(hù)它不受外界刺激的影響,，比如來(lái)自宇宙的輻射源的持續(xù)轟擊。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的核心是一個(gè)由19個(gè)塔組成的探測(cè)器,，每個(gè)塔包含52個(gè)立方體形狀的碲化硅晶體,，總共有988個(gè)晶體，質(zhì)量大約為742千克,，即1600磅,。科學(xué)家們估計(jì)這一數(shù)量的晶體包含了大約100個(gè)由碲同位素組成的大約100億個(gè)原子,。電子和溫度傳感器附著在每個(gè)晶體上,，以監(jiān)測(cè)它們衰變的跡象。整個(gè)探測(cè)器位于一個(gè)超舊的冰箱內(nèi),，大約相當(dāng)于一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)的大小,，它的溫度保持在6毫開爾文，即-459.6華氏度,。研究人員之前曾計(jì)算過(guò),，這臺(tái)冰箱是宇宙中最冷的立方米。

為了探測(cè)到一個(gè)碲原子的衰變所產(chǎn)生的溫度的微小變化,，這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要保持非常的低溫。在正常的雙衰變過(guò)程中，碲原子釋放出兩個(gè)電子,，以及兩個(gè)反中微子,，它們以熱的形式產(chǎn)生一定的能量。如果是中性的雙衰變,，兩個(gè)反中微子應(yīng)該相互抵消,，只有兩個(gè)電子釋放的能量才會(huì)產(chǎn)生。物理學(xué)家此前計(jì)算過(guò),，這種能量必須在2.5兆電子伏特(Mev)左右,。在庫(kù)雷手術(shù)的頭兩個(gè)月里，科學(xué)家們基本上一直在測(cè)量988個(gè)碲晶體的溫度,，尋找在2.5 Mev標(biāo)記周圍的任何微小的能量峰值,。

研究低溫恒溫器的研究人員，圖片：CUORE Collaboration

庫(kù)雷就像一個(gè)巨大的溫度計(jì),，當(dāng)你看到晶體上的熱沉淀時(shí),，就會(huì)看到一個(gè)可以數(shù)字化的脈沖。然后看一下這些脈沖,，脈沖的高度和寬度對(duì)應(yīng)著能量的大小,。然后放大數(shù)出有多少事件在2.5兆，我們基本上什么也沒(méi)看到,。這可能很好,，因?yàn)槲覀冊(cè)陬^兩個(gè)月的數(shù)據(jù)中沒(méi)有看到任何東西。結(jié)果或多或少地表明,，在CUORE迄今為止所操作的短窗口內(nèi),，探測(cè)器上的1000億個(gè)碲原子中，沒(méi)有一個(gè)經(jīng)歷了中微子的雙衰變,。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來(lái)說(shuō),，這意味著如果一個(gè)原子實(shí)際上是它自己的反粒子，一個(gè)原子要經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程至少需要10年或者數(shù)年,。

溫斯洛說(shuō)：對(duì)于碲化碲來(lái)說(shuō)，這是我們所獲得的這一過(guò)程生命周期的最佳極限,。CUORE將繼續(xù)監(jiān)測(cè)未來(lái)5年的晶體,，研究人員正在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的下一代，他們稱之為CUPID-a探測(cè)器,，將在更多的原子中尋找同樣的過(guò)程,。在科學(xué)家們得出最終結(jié)論之前，還有一個(gè)更大的迭代是可能的,。如果我們?cè)?0到15年內(nèi)看不到它,，除非大自然選擇了非常怪異的東西，中微子很可能不是它自己的反粒子，,。粒子物理學(xué)告訴你,，對(duì)于中微子來(lái)說(shuō)，還有更多的回旋余地,，它仍然是它自己的反粒子,，而你卻沒(méi)有看到它。沒(méi)有那么多地方可以隱藏,。

知識(shí)：科學(xué)無(wú)國(guó)界,，博科園-科學(xué)科普

作者：物理評(píng)論快報(bào)

內(nèi)容：經(jīng)“博科園”判定符合今主流科學(xué)

來(lái)自：麻省理工學(xué)院

編譯：光量子

審校：博科園

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