粒子物理學(xué)家公布了長(zhǎng)達(dá)十年的研究結(jié)果，帶領(lǐng)我們朝著了解宇宙所有反物質(zhì)的去向邁出了關(guān)鍵一步。

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空蕩蕩的超級(jí)神岡探測(cè)器內(nèi)工程師的標(biāo)志性照片

圖片來(lái)源：東京大學(xué)宇宙射線(xiàn)研究所

宇宙物質(zhì)可分為兩類(lèi)：物質(zhì)和反物質(zhì)，其中每個(gè)物質(zhì)粒子都有一個(gè)質(zhì)量相同、電荷相反的反物質(zhì)伙伴。但由于兩者之間的相似性，物理學(xué)家仍然不明白為什么宇宙是由物質(zhì)主宰的。實(shí)驗(yàn)正在努力尋找物質(zhì)和反物質(zhì)表現(xiàn)不同的地方，這是理解這個(gè)謎團(tuán)的持續(xù)探索的一部分。 日本一個(gè)名為“T2K”合作項(xiàng)目已經(jīng)公布了他們的研究結(jié)果。他們的論文沒(méi)有證實(shí)中微子是否與反中微子不同，但它給了我們一些很重要的線(xiàn)索。

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“這篇論文象征著非常重要的一步。”芝加哥大學(xué)沙丘中微子實(shí)驗(yàn)的聯(lián)合發(fā)言人埃德布盧徹告訴吉茲莫多，“這表明實(shí)驗(yàn)已經(jīng)提供了足夠的數(shù)據(jù)，可以開(kāi)始對(duì)這個(gè)參數(shù)進(jìn)行重要的限制。但確定CP對(duì)稱(chēng)性是否會(huì)被破壞可能是一條漫長(zhǎng)的道路，這是漫漫長(zhǎng)路上第一個(gè)重要的步驟，CP對(duì)稱(chēng)性是指中微子的行為是否與反中微子不同。

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如果物質(zhì)和反物質(zhì)是完全相同的，并且以完全相同的方式遵循物理定律，那么宇宙中就只存在光子，因?yàn)槲镔|(zhì)和反物質(zhì)在接觸時(shí)相互湮滅。幾十年前，物理學(xué)家安德烈·薩哈羅夫提出了一個(gè)過(guò)程必須滿(mǎn)足的三個(gè)條件，以解釋物質(zhì)對(duì)反物質(zhì)的過(guò)量，或者簡(jiǎn)單地說(shuō)，解釋物質(zhì)存在的原因?？赡茏钊菀渍业降臈l件就是CP對(duì)稱(chēng)性的破壞，或者粒子和有著相反電荷的（即C，表示電荷）同一粒子的鏡像（即P，表示奇偶性）之間的物理過(guò)程不同?；旧希珻P對(duì)稱(chēng)性破壞過(guò)程是粒子和它們的反粒子之間表現(xiàn)不同的過(guò)程。

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科學(xué)家在組成質(zhì)子和中子的亞原子夸克類(lèi)粒子中發(fā)現(xiàn)了一些CP對(duì)稱(chēng)性破壞現(xiàn)象，但這仍然不足以解釋為什么宇宙中有這么多物質(zhì)。所以他們也在輕子中尋找CP對(duì)稱(chēng)性的破壞，輕子包括電子和中微子。今天，日本的T2K合作小組公布了自2010年以來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)果，他們尋找中微子中CP對(duì)稱(chēng)性破壞過(guò)程的證據(jù)，而中微子是宇宙中難以探測(cè)但最豐富的物質(zhì)粒子。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有證實(shí)或否認(rèn)中微子是否經(jīng)歷了CP破壞過(guò)程，但它給科學(xué)家們帶來(lái)了希望：很快就會(huì)有答案，并證明中微子可能確實(shí)破壞了CP對(duì)稱(chēng)性。

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T2K由位于東京以北日本東海岸的一個(gè)粒子加速器組成，它通過(guò)質(zhì)子與目標(biāo)碰撞產(chǎn)生一束中微子。這之后產(chǎn)生了一束其他粒子，它們衰變成一種μ子中微子。這束光束進(jìn)入一個(gè)測(cè)量中微子的探測(cè)器，然后穿過(guò)地球，在近300公里（186英里）外進(jìn)入一個(gè)叫做超級(jí)神岡的探測(cè)器，這個(gè)探測(cè)器裝有5萬(wàn)噸水和敏感管，用來(lái)探測(cè)水中中微子的相互作用。在這里，研究小組測(cè)量了通過(guò)一個(gè)叫做中微子振蕩的過(guò)程，有多少中微子變成了電子中微子。然后，T2K小組改變了加速器的磁場(chǎng)，產(chǎn)生了μ子反中微子而不是μ子中微子，使他們能夠搜尋電子反中微子而不是電子中微子。最后，他們比較了兩次測(cè)量的結(jié)果。

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圖為日本超級(jí)神岡探測(cè)器（SK）里的光電倍增管探測(cè)器

復(fù)雜的物理和分析意味著這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不是一個(gè)簡(jiǎn)單的答案。結(jié)果是一個(gè)角度測(cè)量，稱(chēng)為CP相位。如果CP相位測(cè)量為零、180度或-180度，則中微子不違反CP對(duì)稱(chēng)性(即中微子和反中微子之間的情況是一樣的）。如果這個(gè)角度測(cè)量是任何其它結(jié)果，它確實(shí)違反了CP對(duì)稱(chēng)性——中微子和它們的反粒子之間的物理定律是不同的。這項(xiàng)新的研究強(qiáng)烈排除大范圍的角度，包括零，但不排除180。根據(jù)今天發(fā)表在《自然》雜志上的論文，這似乎也暗示了解釋數(shù)據(jù)的最佳角度在-90左右，這是CP對(duì)稱(chēng)性破壞的最大值。所有這些都傾向于得出這樣的結(jié)論：中微子和反中微子在某些非常重要的方面有所不同，但同樣，這還不足以確定。

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“這一結(jié)果，第一次通過(guò)測(cè)量中微子振蕩（即通過(guò)測(cè)量μ子中微子對(duì)電子中微子振蕩和μ子反中微子對(duì)電子反中微子振蕩）對(duì)輕子的CP相位施加了強(qiáng)烈的限制，”T2K發(fā)言人一川聰告訴吉茲莫多。

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統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支持中微子確實(shí)違反CP對(duì)稱(chēng)性的假設(shè)，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不能確定。結(jié)果越來(lái)越近了?；蛟S更重要的是，它表明即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，如LBNF/DUNE和超級(jí)神岡（Super-Kamiokande）的繼任者 Hyper-Kamiokande，將能夠在未來(lái)十年給出一個(gè)更為可靠的答案。T2K國(guó)際聯(lián)合發(fā)言人Federico sanchez告訴吉茲莫多，這些實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)生更強(qiáng)大的中微子束，并將與更靈敏的探測(cè)器耦合，使科學(xué)家能夠更快地獲取數(shù)據(jù)和產(chǎn)生結(jié)果。通過(guò)這些項(xiàng)目，研究人員將能夠在一年內(nèi)收集到與T2K在20年內(nèi)收集到的相同數(shù)量的數(shù)據(jù)。正如物理學(xué)中的一貫情況一樣，更多的數(shù)據(jù)將使科學(xué)家更接近宣布一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)所需的嚴(yán)格統(tǒng)計(jì)閾值。桑切斯說(shuō)，科學(xué)家還需要更好地模擬中微子如何與物質(zhì)及其探測(cè)器相互作用的物理理論。

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但即使中微子確實(shí)違反了CP對(duì)稱(chēng)性，那也不會(huì)是故事的結(jié)尾，這只是薩哈羅夫解釋之前提到的物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)之謎的三個(gè)條件之一?？茖W(xué)家必須找到其他尚未被發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，如輕子或重子數(shù)破壞，本質(zhì)上是描述中微子和質(zhì)子的核心數(shù)以尚未被觀(guān)察的方式變化的過(guò)程，如質(zhì)子衰變或中微子湮滅自身。即便如此，理論家們也必須找到正確的模型，在這個(gè)模型中，這些偏差實(shí)際上導(dǎo)致了我們宇宙中觀(guān)測(cè)到的物質(zhì)和反物質(zhì)之間的差異。英國(guó)達(dá)勒姆大學(xué)的物理教授西爾維亞·帕科利告訴吉茲莫多.說(shuō)，觀(guān)察輕子中的CP對(duì)稱(chēng)性破壞以及輕子數(shù)破壞，將提供間接證據(jù)，證明輕子是宇宙物質(zhì)反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)的罪魁禍?zhǔn)住?/span>

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因此，探索仍在繼續(xù)，而且可能會(huì)持續(xù)數(shù)十年。桑切斯對(duì)吉茲莫多說(shuō)：“你必須把這個(gè)結(jié)果看作是建造一座巨大建筑的一塊小石頭。”“它的方向是正確的，但并沒(méi)有揭開(kāi)謎團(tuán)?！?/span>

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作者: Ryan F. Mandelbaum

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