魚羊 曉查 發(fā)自 凹非寺 
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

眾所周知，宇宙誕生于一次大爆炸,。

然而大爆炸之后發(fā)生了什么,，人類到現(xiàn)在也沒完全搞清楚。

比如說,，我們發(fā)現(xiàn)的物理規(guī)律是對(duì)稱的,，那么對(duì)稱的定律就會(huì)讓大爆炸產(chǎn)生的正物質(zhì)和反物質(zhì)一樣多,。

但正物質(zhì)和反物質(zhì)遇到一起就“灰飛煙滅”，所以如果正反物質(zhì)一樣多,，宇宙不會(huì)有質(zhì)子電子,，更不會(huì)有原子，更不會(huì)有生命誕生,。

究竟是什么打破了宇宙的對(duì)稱性,？

在解開這一重要謎題的道路上，今天,，人類又邁出了重要一步：

人們已經(jīng)找到了正物質(zhì)最終如何擊敗反物質(zhì)的原因之一,。

來自日本、美國(guó),、俄羅斯等12國(guó)的T2K團(tuán)隊(duì),，經(jīng)過十年的累計(jì)觀察發(fā)現(xiàn)，是中微子打破了這種對(duì)稱性,，而宇宙終極的不對(duì)稱性可能就藏在中微子的不對(duì)稱中,。

這一爆炸性的最新研究，登上了最新一期Nature封面,。

什么是中微子

為了搞清楚這個(gè)問題,，首先讓我們來了解一下什么是中微子？

任何物理現(xiàn)象都應(yīng)該滿足的能量,、動(dòng)量,、角動(dòng)量守恒定律，核反應(yīng)也不例外,，但是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，原子核的β衰變（放出一個(gè)電子）似乎并不滿足。

△ 氣泡室中觀測(cè)到的中微子

為了解釋這一現(xiàn)象,，物理學(xué)家泡利提出原子核在裂變中還會(huì)放出一種很難探測(cè)到的不帶電粒子,。

由于人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種不帶電的中性粒子，叫做中子,。這種不帶電更輕的粒子,，只能被叫做“微小的中子”，也就是中微子,。

值得一提的是,，中國(guó)物理學(xué)家王淦昌在1941年提出了一種探測(cè)中微子的方法，但是當(dāng)時(shí)的中國(guó)還在抗戰(zhàn)中,，根本沒有實(shí)驗(yàn)條件,。之后被另外兩位美國(guó)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，并獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

在我們的生活中,，中微子可以說是無處不在,，比陽光還要常伴。

因?yàn)樽畲蟮闹形⒆釉淳褪翘?，太陽是個(gè)巨大的核反應(yīng)堆,，核聚變會(huì)產(chǎn)生大量的中微子。

而每秒通過我們身體的就有幾萬億個(gè),。不過不必?fù)?dān)心輻射問題,，因?yàn)橹形⒆雍臀镔|(zhì)的相互作用極弱，乃至可以輕松穿過一千個(gè)地球,，所以對(duì)你身體幾乎不會(huì)有任何影響,。

最初，科學(xué)家們根據(jù)太陽模型計(jì)算出中微子數(shù)量,，和地球上探測(cè)到的數(shù)量存在巨大差異。差了多少呢,？后者只有前者的1/3,，剩下的2/3到哪里去了？

考慮到地球和太陽之間幾乎是空無一物的真空,，顯然中微子不可是被什么東西擋住了,，況且中微子的穿透力還這么強(qiáng)。

后來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，其實(shí)中微子總共有三種“味道”：電子中微子,、μ子中微子、τ子中微子,。它們分別在電子,、μ子、τ子參與的核反應(yīng)中產(chǎn)生,，也只能和對(duì)應(yīng)的粒子反應(yīng),。

這三種中微子在接近光速飛行的途中可以相互轉(zhuǎn)換，物理學(xué)家把這種現(xiàn)象叫做中微子振蕩,。

太陽內(nèi)的核反應(yīng)只能產(chǎn)生電子中微子,，它在飛向地球的過程中，有2/3變成了μ子中微子和τ子中微子,。

而我們過去的實(shí)驗(yàn)方法只能探測(cè)到電子中微子,，所以就漏掉了另外的2/3。

“挖坑灌水”找中微子

既然中微子和物質(zhì)之間的作用這么弱,，我們又如何找到它,？

科學(xué)家給出的方法是“加大劑量”。

中微子和物質(zhì)原子產(chǎn)生相互作用是一個(gè)小概率事件,，如果我們用足夠的原子去“捕捉”中微子,，總會(huì)有那么幾個(gè)被發(fā)現(xiàn)的,。

T2K實(shí)驗(yàn)采用的探測(cè)器，就是日本超級(jí)神岡探測(cè)器（Super-K）,。

超級(jí)神岡探測(cè)器位于1000米深的地下,，由一座廢棄的砷礦改造而成。

超級(jí)神岡是一個(gè)高41.4米,、直徑39.3米的不銹鋼圓柱體“巨型水箱”,，里面裝著5萬噸超純水。

△ 超級(jí)神岡探測(cè)器內(nèi)部

之所以選這么深,，是為了讓地球的巖層屏蔽掉其他射線粒子,，而中微子穿透力最強(qiáng)，最后到達(dá)探測(cè)器的就幾乎只剩它了,。

簡(jiǎn)而言之,，超級(jí)神岡就是“挖坑”和“灌水”。

為了發(fā)現(xiàn)為數(shù)不多被捕獲的中微子,，超級(jí)神岡內(nèi)部裝有11146個(gè)光電倍增管,。

△ 超級(jí)神岡內(nèi)的光電倍增管

當(dāng)中微子和水中的原子核與電子發(fā)生反應(yīng)后,，就可能產(chǎn)生高能的電子或正電子,，速度甚至超過了水中的光速。

當(dāng)電子或正電子在水中以這么高的速度前進(jìn)時(shí),，就會(huì)在粒子后方的尾巴上產(chǎn)生切連科夫輻射,。浸在水中的核反應(yīng)堆發(fā)出的幽幽藍(lán)光,，就是這種輻射。

△ 核反應(yīng)堆產(chǎn)生的切連科夫輻射

輻射中的光子射入光電倍增管中,，就會(huì)產(chǎn)生電子,，電子在電場(chǎng)中加速，從而產(chǎn)生更多的電子,，像雪崩一樣,，最終產(chǎn)生可以探測(cè)到的電流。

通過不同位置光電倍增管的電信號(hào)數(shù)據(jù),，科學(xué)家們就可以確定中微子的入射方向和“味道”,。

在這次Nature的封面文章之前，超級(jí)神岡在物理學(xué)歷史上可謂大名鼎鼎,、屢立奇功,，共產(chǎn)生了兩個(gè)諾獎(jiǎng)級(jí)的研究成果。

日本物理學(xué)家小柴昌俊因?yàn)橛贸?jí)神岡在探測(cè)宇宙中微子方面做出的貢獻(xiàn),，獲得了2002年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

△ 小柴昌俊

另一位日本物理學(xué)家梶田隆章因?yàn)橛贸?jí)神岡“發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，證明了中微子具有質(zhì)量”，獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。

原來中微子不對(duì)稱

說了這么多,，中微子和宇宙的起源又有什么關(guān)系呢？

前蘇聯(lián)原子物理學(xué)家安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）曾就宇宙物質(zhì)起源問題提出過一種機(jī)制,。

他猜想的原因之一,，就是物質(zhì)和反物質(zhì)的對(duì)稱性并不完美，分子表現(xiàn)出的特性略有不同,。這種差異可能導(dǎo)致宇宙大爆炸后的冷卻過程中,，物質(zhì)過剩。

如果宇宙后來的正反物質(zhì)不一樣多,，就需要滿足“薩哈羅夫條件”,，其中的重要一條就是CP對(duì)稱性的破壞。

CP對(duì)稱性的意思是,，把一個(gè)粒子的電荷換成與之相反的電荷,，同時(shí)把粒子的自旋（自轉(zhuǎn)方向）翻轉(zhuǎn)過來，物理定律應(yīng)該保持不變,。

如果正反物質(zhì)不一樣多,，必須在宇宙誕生初期CP對(duì)稱性被破壞。

其實(shí)1960年代以來,，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了CP對(duì)稱性破壞，但多是其他一些較少見的粒子,。

科學(xué)家們期望著有更大的CP不對(duì)稱被發(fā)現(xiàn),，直到最新中微子實(shí)驗(yàn)結(jié)果的發(fā)表。

而來自T2K合作組織的這項(xiàng)最新研究成果,，在極大程度上滿足了這一假設(shè)條件,。

T2K使用日本質(zhì)子加速研究中心（J-PARC）加速器產(chǎn)生的μ子中微子和μ子反中微子束，研究這些粒子和反粒子如何分別轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮又形⒆雍碗娮臃粗形⒆印?/p>

在實(shí)驗(yàn)中,，研究人員觀察到,，長(zhǎng)基線中微子和反中微子振蕩的測(cè)量結(jié)果顯示，中微子比反中微子具有更高的震蕩概率,。

這種差異由CP破壞相角表示,。如果相角為0，并且中微子和反中微子的行為相同,，則該實(shí)驗(yàn)將檢測(cè)到大約68個(gè)電子中微子和20個(gè)電子反中微子,。

事實(shí)卻并非如此。最終,，T2K探測(cè)到了90個(gè)電子中微子和15個(gè)電子反中微子,。

也就是說，在300公里的行程中，中微子改變“味道”的可能性更高,，而反中微子的這一概率則相應(yīng)地低于預(yù)期,。中微子和它的反粒子振蕩概率不一樣。

這是人類首次捕捉到中微子中的CP破壞現(xiàn)象,。

在中微子中發(fā)現(xiàn)CP對(duì)稱性破壞,，暗示著更大的不對(duì)稱性正在早期的宇宙中發(fā)揮作用。但中微子本身還是太渺小了,，無法完成這項(xiàng)工作,。

但是三種“味道”的中微子都可能與一種叫做“惰性中微子”的暗物質(zhì)聯(lián)系在一起，它們之間的相互作用會(huì)打破宇宙的平衡,。

日內(nèi)瓦大學(xué)物理學(xué)家,，T2K合作組織發(fā)言人費(fèi)德里克·桑切斯（Federico Sánchez）這樣說道：

我們第一次捕獲到中微子中，CP破壞的現(xiàn)象,。是一個(gè)真正的里程碑,。

同時(shí)，也高度證明了,，中微子和反中微子的行為是不同的,。

這一點(diǎn)同樣是個(gè)大突破——盡管人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他粒子中有物質(zhì)-反物質(zhì)差異，但那些差異太小了,，并不足以解釋現(xiàn)實(shí)宇宙存在的現(xiàn)象,。

下一步實(shí)驗(yàn)，需要收集足夠的數(shù)據(jù)來證實(shí)這一新發(fā)現(xiàn),。

因?yàn)楫?dāng)前T2K的結(jié)果出于統(tǒng)計(jì)意義的3σ水平,，如果完全排除物質(zhì)-反物質(zhì)對(duì)稱性，置信度會(huì)下降到2σ,。而粒子物理學(xué)研究中,，通常要求置信度為5σ。

德國(guó)馬克斯-普朗克核物理研究所的中微子物理學(xué)家Werner Rodejohann對(duì)此持樂觀態(tài)度,，因?yàn)樵谧匀唤缰?，中微子和反中微子如此不同，這將使證據(jù)累積的速度比預(yù)計(jì)快數(shù)年,。

桑切斯也說,，盡管目前的發(fā)現(xiàn)尚未滿足解決物質(zhì)起源問題的所有條件，“但顯然正在朝正確的方向行進(jìn)”,。

而目前的結(jié)果,，對(duì)下一步的研究有至關(guān)重要的指導(dǎo)意義。

不過,，要達(dá)到5σ水平,，僅靠T2K實(shí)驗(yàn)是不太可能的,。

所幸，物理學(xué)家們或許能在下一代中微子探測(cè)器中找到答案,，即將投入使用的此類探測(cè)器包括：

• 中國(guó)的JUNO,，計(jì)劃在2022年投入使用；

• 美國(guó)的DUNE,，計(jì)劃在2025年開始使用,；

• 位于超級(jí)神岡附近的Hyper-Kamiokande，預(yù)計(jì)于2027年開始使用,。

下面簡(jiǎn)單介紹一下T2K合作項(xiàng)目,。

T2K的意思是東海（Tokai）到神岡（Kamioka），是日本的一個(gè)國(guó)際性粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn),，參與的國(guó)家包括日本,、加拿大、法國(guó),、德國(guó),、意大利、韓國(guó),、波蘭,、俄羅斯、西班牙,、瑞士,、美國(guó)和英國(guó)。

T2K實(shí)驗(yàn)旨在研究中微子在傳播過程中如何從一種味道變?yōu)榱硪环N味道,。中微子束自日本東海岸的J-PARC加速器產(chǎn)生,，并被引導(dǎo)到日本西部山區(qū)的超級(jí)神岡中微子探測(cè)器，中微子束強(qiáng)度和成分的變化,，能提供有關(guān)中微子性質(zhì)的信息。

中微子的其他趣聞

最后,，還有一事值得分享,。

中微子，一直是粒子物理學(xué)界的研究熱點(diǎn),。

關(guān)于中微子的研究,，還發(fā)生過許多有趣的故事。

比如去年11月,，天才數(shù)學(xué)家陶哲軒破天荒和三位素昧平生的物理學(xué)家,，一起發(fā)表了一個(gè)簡(jiǎn)單方程式，求解特征向量的數(shù)學(xué)論文,，事情的起因就是中微子振蕩研究,。

三位物理學(xué)家在計(jì)算中微子振蕩概率的時(shí)候發(fā)現(xiàn)：特征向量和特征值的幾何本質(zhì),，其實(shí)就是空間矢量的旋轉(zhuǎn)和縮放。而中微子的三個(gè)味（電子,，μ子,，τ子），不就相當(dāng)于空間中的三個(gè)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布：他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子的速度“跑”過了光速,。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了愛因斯坦狹義相對(duì)論中“光速不可超越”的理論基礎(chǔ),，引起極大關(guān)注。

不過,，2012年初,，研究人員發(fā)現(xiàn)其實(shí)是設(shè)備硬件問題造成了“超光速”的結(jié)果，鬧了個(gè)大烏龍,。

接下來,，為了更精確的結(jié)果，各國(guó)的科學(xué)家們還要繼續(xù)挖更大的坑,、灌更多的水,。

中微子和超級(jí)神岡是否會(huì)成就下一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)呢？

傳送門：

論文地址：
https://www./articles/s41586-020-2177-0

Nature報(bào)道：
https://www./articles/d41586-020-01022-3#ref-CR3

參考鏈接

https://www./neutrino-evidence-could-explain-matter-antimatter-asymmetry-20200415/
https://www./news/196895/strongest-evidence-that-neutrinos-explain-universe/
https:///news/2020-04-matter-antimatter-asymmetry-t2k-results-restrict.html