解釋宇宙反物質去向,10 年大型國際實驗發現微中子異樣

作者 | 發布日期 2020 年 04 月 16 日 18:30 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


宇宙為什麼沒有毀滅於大爆炸的巨大能量?大爆炸後應該與物質數量相等的反物質都去哪了?在一項名為 T2K 的國際大型實驗中,科學家首度發現這些無法透過標準模型解釋的現象,或許可以靠微中子的奇怪行為解決。

宇宙物質分為物質和反物質兩類,每個物質粒子都有一個反物質夥伴,它們的質量相同、電荷相反,當兩種粒子碰撞時會以完美的效率湮滅、轉化成 100% 純能量(這也是科幻小說家特別喜歡反物質引擎的原因),然而在當今宇宙,我們看到物質明顯多於反物質。

從理論上來講,大爆炸應該生成相等數量的物質與反物質,並且帶來物質與反物質相撞立即湮滅、宇宙只剩下光子的下場,換句話說,由物質構成的我們不會存在。然而正看著螢幕的你我知道事實不是這樣,我們存在,物理學家仍不了解反物質去哪了、為什麼宇宙由物質主導。

為了替宇宙物質「正名」,必須有什麼東西打破它們之間的對稱性(CP 對稱),科學家之前已發現夸克不對稱性的 CP 破壞(CP violation)現象,可惜太微不足道,無法解決大尺度宇宙問題。

現在,來自全球 12 個國家 500 名研究人員參與的 T2K 粒子物理學實驗,發表了最新研究結果,第一次找到微中子的 CP 破壞跡象,有力證據表明物質-反物質不對稱性的一部分來自微中子。

發現微中子振盪異樣

微中子(neutrion)是科學界最難以捉摸的次原子粒子之一,它們為電中性、質量極小,不參與強交互作用及電磁交互作用,只參與重力交互作用和弱交互作用,並且微中子有 3 種「味」:電微中子(νe)、緲微中子(νμ)、濤微中子(ντ),如果給他們足夠時間,就可能在傳播過程中發生味間振盪,比如在某個地方產生的電微中子在另一個地方被探測到時,可能變為緲微中子或濤微中子。

於是乎科學家想知道,反微中子的味間振盪行為是否也一樣?T2K 實驗便在全力探討此現象。該實驗中,科學家利用粒子加速器,將微中子組成的光束從日本東海一個研究地點發射到位於神岡市的超級神岡探測器(距離超過 290 公里)。

過去 9 年來,科羅拉多大學波德分校物理學家 Alysia Marino、Eric Zimmerman 及其他科學家一直在研究緲微中子與「反緲微中子」,而在最新研究中,他們發現物質和反物質的行為有所不同:緲微中子比「反緲微中子」更容易振盪成電微中子。

這項結果表明了某些物質和反物質的行為可能有異,讓我們離宇宙物質與反物質之謎更進一步。雖然還需要更多實驗數據才能接近嚴格的統計閾值,且就算證明有一定數量的微中子確實違反 CP 對稱,這也只是蘇聯原子物理學家沙卡洛夫提出「物質與反物質不對稱之謎」的 3 個條件之一而已。

微中子搜索工作可能還要持續數十年,才能讓物質反物質之謎水落石出,但至少現在發現微中子與反微中子以不同方式振蕩,科學家已經得到物質如何勝出的關鍵一步。新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖為示意圖,來源:pixabay

延伸閱讀: