兩名研究人員坐在超級(jí)神岡探測(cè)器內(nèi)的一艘劃艇上，探測(cè)撞擊水分子的中微子
科技訊 北京時(shí)間4月20日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，在日本一座礦山的地下洞穴里，科學(xué)家建造了一個(gè)巨大的水箱，用來探測(cè)一種神秘的基本粒子。多年以來，這里一直很平靜，似乎什么都不會(huì)發(fā)生。
不過，每隔一段時(shí)間，水箱的邊緣就會(huì)出現(xiàn)一圈閃光，這是電子或質(zhì)量更重的類似粒子（μ介子）穿過水體時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)。這些電子和介子是一種幽靈般的微小粒子撞擊水分子時(shí)產(chǎn)生的殘余物，這種粒子便是中微子。
多年來，國際合作項(xiàng)目T2K實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家們一直在計(jì)算這些光圈的數(shù)量。T2K的意思是東海（Tokai）到神岡（Kamioka），是位于日本的一個(gè)粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。在名為J-PARC的地下設(shè)施中，科學(xué)家通過加速器制造出高密度的μ介子中微子束，指向295公里以外的超級(jí)神岡探測(cè)器。在計(jì)算光圈的數(shù)量時(shí)，T2K實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家對(duì)輪廓清晰和模糊的光圈進(jìn)行了區(qū)分，前者由較重的μ介子穿過水體而產(chǎn)生，后者則是質(zhì)量較小的電子的特征。
隨著時(shí)間的推移，T2K實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家注意到，他們的計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)了一些偏差。他們認(rèn)為，這種偏差或許有助于解釋宇宙中物質(zhì)的存在。
物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是對(duì)稱的嗎？并不是
就在大爆炸發(fā)生后，宇宙中存在著等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，這兩種物質(zhì)互為鏡像，一旦接觸就會(huì)湮滅。與氫對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)是反氫。電子的反物質(zhì)是帶正電荷的正電子。介子對(duì)應(yīng)反介子，中微子對(duì)應(yīng)反中微子，以此類推。
反物質(zhì)與物質(zhì)是如此相似。理論上，宇宙一開始時(shí)數(shù)量相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該簡單地相互抵消，釋放出超級(jí)明亮的光（高能光子）。但事實(shí)并非如此，確切的原因仍然是一個(gè)謎。這種“正反物質(zhì)對(duì)稱性破壞”（對(duì)稱破缺）表明，這些粒子之間一定存在某些基本的差異。不對(duì)稱性可以解釋為什么現(xiàn)在的宇宙中正物質(zhì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)，而科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其中一種不對(duì)稱性。
夸克就體現(xiàn)了其中一種不對(duì)稱性，這是構(gòu)成質(zhì)子和中子的粒子。早在1964年，物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了夸克和反夸克之間的細(xì)微差別?？淇耸菢?gòu)成質(zhì)子、中子和其他粒子的亞原子粒子，它們通過弱力相互作用。但是，夸克的不對(duì)稱性過于微小，不足以解釋物質(zhì)的存在。宇宙中肯定還有其他不對(duì)稱的地方。
在其他一些關(guān)于不對(duì)稱性的理論中，涉及一類名為“輕子”（lepton）的粒子。輕子是一種不參與強(qiáng)相互作用、自旋為1/2的基本粒子，包括了中微子、μ介子和電子這樣的粒子。如果在輕子和其對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)之間存在不對(duì)稱性，那隨著時(shí)間的推移，就可能不僅會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)輕子過剩，還會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)重子（baryon）過剩。重子是指由3個(gè)夸克組成的復(fù)合粒子，構(gòu)成了一個(gè)原子的大部分質(zhì)量（質(zhì)子和中子）。
T2K實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家試圖在水箱中尋找輕子不對(duì)稱性的證據(jù)。物理學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)中微子從一種味“振蕩”到另一種味時(shí)，輕子不對(duì)稱性就會(huì)顯現(xiàn)出來。
中微子可能是關(guān)鍵
中微子有三種類型（又稱三種“味”），即電中微子、μ中微子和τ中微子。每種味都有自己的反中微子。所有這些粒子——中微子和反中微子——都在振蕩，意味著它們會(huì)從一種味轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N味。一個(gè)μ中微子可以變成一個(gè)τ中微子或一個(gè)電中微子；一個(gè)反中微子也可以振蕩成τ反中微子或電反中微子
然而，這些振蕩需要時(shí)間。這也是T2K實(shí)驗(yàn)要把中微子束加速器和水箱（即超級(jí)神岡探測(cè)器）隔開數(shù)百公里的原因。中微子束傳播的過程就給了μ中微子束振蕩成為電中微子的時(shí)間。T2K實(shí)驗(yàn)尋找的就是μ中微子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娭形⒆拥淖C據(jù)。
即使在這種情況下，電中微子也很難被探測(cè)到。穿過超級(jí)神岡探測(cè)器的電中微子很少會(huì)撞上水分子并轉(zhuǎn)變成電子，產(chǎn)生特有的模糊微光。
盡管如此，在多年的努力之后，超級(jí)神岡探測(cè)器已經(jīng)探測(cè)到了中微子和反中微子的數(shù)百次振蕩，足以得出一些真正的結(jié)論。
在4月15日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志上的一篇論文中，T2K實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家報(bào)告稱，中微子束和反中微子束之間存在差異的置信度為95%，這是物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性部分來自中微子的有力證據(jù)。
目前所獲得的信息還很有限。T2K實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量的所有結(jié)果都是微弱、低能量中微子行為之間的不對(duì)稱性，為了完全理解這種不對(duì)稱性及其對(duì)宇宙演變的影響，理論物理學(xué)家必須將這些數(shù)據(jù)外推到高能中微子上，并研究其他輕子是否也會(huì)存在類似的情況。
至于T2K合作項(xiàng)目，下一步將是收集更多的數(shù)據(jù)，使結(jié)果的置信度提高到95%以上。另外，在這個(gè)日本礦山中建造更先進(jìn)的下一代“超巨型神岡探測(cè)器”的相關(guān)努力，以及美國正在建造的名為“深地下中微子實(shí)驗(yàn)”（DUNE）的相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)，也可能加快研究的步伐。也許在不久的未來，我們將真正解開宇宙早期物質(zhì)-反物質(zhì)的不對(duì)稱謎題。（任天）
