宇宙如何存在?科學家開始追測神祕暗物質微中子

作者 | 發布日期 2018 年 04 月 02 日 17:13 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

「我們為什麼存在?我們之上還有什麼存在?」這可能是形而上學(Metaphysics)最古老基本的問題,我們必須存在,才能對存在這事實發出疑問。但我們如何能存在?哲學辯證的另一面,科學正在盡其所能幫助解開謎底,首先就從現在唯一一種可能的暗物質微中子下手。



現代主流宇宙學說認為宇宙起源於大爆炸,而大爆炸後應該產生等量的物質與反物質,但事實是,包括你、我、他、地球、遙遠星系乃至整個宇宙都是由物質構成的,反物質除非能從稍縱即逝的放射衰變或宇宙射線等現象帶來少量存在,其餘都因為無可避免立刻與自然界物質碰觸並湮滅,成為現代物理學最大的未解決問題之一。

能解釋這種不平衡原因的其中一種論述是微中子(Neutrino,字面意義為「微小的電中性粒子」,也譯作「中微子」)的性質。微中子是一種電中性的亞原子粒子,已有證據表明微中子具有質量,但其質量相比於其他亞原子粒子還是非常微小,而它可能是現在唯一一種已探測到的暗物質,屬於一種熱暗物質。

微中子同時還是一種輕子,因此不參與電磁交互作用以及強交互作用,只參與弱交互作用及重力交互作用。由於弱交互作用作用距離非常短,而重力交互作用在亞原子尺度下又十分微弱,因而微中子在穿過一般物質時不會受到太多阻礙,難以檢測。

此外,科學家正在推測微中子可能是一種「馬約拉納費米子」(Majorana fermion),即它的反粒子就是它本身,這樣便能解釋它們可能在早期宇宙的不對稱衰減,並且使我們今天看到的物質多於反物質。

包括麻省理工學院在內的一個國際小組正在一個地下天文台(Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)進行實驗,試圖從原子核中觀察到一種稱為「中微子雙 β 衰變」的罕見現象。

雙 β 衰變分成「尋常雙 β 衰變」和「無微中子雙 β 衰變」兩種過程,尋常雙 β 衰變在多種同位素中都可觀測到,過程中衰變核射出兩電子和兩反電微中子;但無微中子雙 β 衰變(neutrinoless double-beta decay)只是一項假想過程,從未曾被觀測過,過程中只會射出電子。

只要實驗能證明中微子就是它們自身反粒子,即發生無微中子衰變,兩個反微中子互相湮滅,將大大促進我們對宇宙構造的理解。

雖然實驗進行了 2 個月,科學家報告說仍未發現這種罕見事件,但他們預估能在未來 5 年觀察到至少 5 次無微中子衰變。如果 10~15 年內都看不到這種現象,就代表宇宙還藏有其他非常奇怪的行為。

(首圖來源:麻省理工學院新聞辦公室