在宇宙中，所有的可見物質(zhì)都是由夸克和輕子組成的?？淇擞辛N：上、下、奇、粲、底、頂。同樣地，輕子也有六種：電子、μ子、τ子和三種中微子。這些基本粒子都有其相應的反物質(zhì)粒子，它們具有相同的性質(zhì)，但卻擁有相反的電荷。
○ 基本粒子包括夸克、輕子和玻色子。
在138億年前，宇宙大爆炸后應產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。當它們相遇時會全部湮滅，只留下能量。然而，這樣的事情顯然沒有發(fā)生，否則今天我們就不會看到恒星、行星，甚至是生命的出現(xiàn)了。究竟是什么導致了物質(zhì)和反物質(zhì)之間的輕微不對稱性，使今天的宇宙全是由物質(zhì)組成的，而不是反物質(zhì)？已知的物理學定律還無法完全回答這個問題。
1967年，物理學家Andrei Sakharov提出，如果宇宙滿足幾個條件那么就有可能演化出一個由物質(zhì)主導的世界，其中一個條件便是CP對稱性（C代表電荷共軛，P代表宇稱）必須被打破。簡單來說，CP對稱性指的是，在一個鏡像世界中，反粒子的行為應當和粒子完全相同。
曾經(jīng)，物理學家認為物質(zhì)和反物質(zhì)應當遵循CP對稱性，但在上個世紀60年代，物理學家發(fā)現(xiàn)夸克和反夸克打破了CP對稱性（或說CP破壞）。去年，物理學家也第一次在粲粒子（包含粲夸克的粒子）衰變中觀測到了CP破壞。但問題是，從夸克中所觀察到的CP破壞的量完全不足以解釋最初的物質(zhì)和反物質(zhì)之間的不對稱性。一直以來，物理學家也試圖在非夸克基本粒子系統(tǒng)中觀測CP破壞，但沒有成功，因此一些大型實驗一直致力于尋找CP破壞的新來源。
4月15日，在一篇發(fā)表于《自然》的新論文中，來自T2K實驗的科學家首次報告了他們可能在輕子中發(fā)現(xiàn)了CP破壞的證據(jù)。
○ 新論文登上了《自然》封面。
物理學家提出了一種”輕子數(shù)產(chǎn)生”的機制來解釋為何輕子中的CP破壞可以產(chǎn)生物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性。在那些用來解釋觀測到的中微子質(zhì)量的模型中，科學家假設早期宇宙中存在大量比中微子更重的拍檔粒子，這些粒子隨后發(fā)生了衰變。CP破壞有可能導致這些衰變可以產(chǎn)生我們現(xiàn)在所觀測到的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性。新發(fā)表的結(jié)果為輕子數(shù)產(chǎn)生機制提供了強有力的間接證據(jù)。
輕子的CP破壞非常難以捕捉的，科學家可以通過測量中微子來對其進行探索，這是一類幾乎不與普通物質(zhì)相互作用的基本粒子，因而加大了探測難度。中微子最不為人所知，卻又無處不在，它們彌漫在整個宇宙中，誕生于太陽或其他恒星的核反應中，每秒鐘大約有100萬億個中微子穿過你的身體。
中微子有三種“味”：電子中微子、μ子中微子、τ子中微子。就像其他亞原子粒子一樣，它們也有相應的反中微子。與其他粒子不同，中微子最特別之處在于，在它們的傳播過程中，會從一種味轉(zhuǎn)變成另一種味，這被稱為中微子振蕩。
自中微子振蕩被發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)有好些實驗對其進行了分析。但直到最近幾年，科學家才觀測到了從μ子中微子轉(zhuǎn)變成電子中微子的微小振蕩。這種振蕩發(fā)生的概率很小。如果CP對稱性是守恒的，那么μ子中微子轉(zhuǎn)變成電子中微子的振蕩概率將與反μ子中微子轉(zhuǎn)換成反電子中微子的振蕩概率相同。
現(xiàn)在，T2K實驗以前所未有的精度研究了這些振蕩，并觀察到了輕子CP破壞的可能證據(jù)。
在實驗中，日本質(zhì)子加速器研究中心會生成一束中微子，這些被高度加速的質(zhì)子會與高密度的石墨靶相撞，產(chǎn)生大量被稱為π介子和K介子的粒子。這些粒子會衰變，產(chǎn)生中微子束或反中微子束，被280米開外的兩個探測器監(jiān)測。
隨后，這些中微子會不受阻礙地穿越地球，其中有一些則會被位于295公里之外的處于日本池野山地下深處的神岡天文臺的探測器所探測到。這一探測器是由5萬噸超純凈水組成的，在其周圍環(huán)繞著大量靈敏的光傳感器。當一個中微子與水中的中子發(fā)生相互作用時，它會根據(jù)它自身的味而產(chǎn)生一個μ子或一個電子。T2K實驗會探測到這些μ子和電子，并對它們進行分辨，從而識別出發(fā)生撞擊的中微子的味，以此測量μ子中微子轉(zhuǎn)換成電子中微子的振蕩概率。
T2K合作項目分析了從2009年到2018年之間收集到的中微子和反中微子數(shù)據(jù)。通過與其他中微子振蕩實驗的結(jié)果相結(jié)合，研究人員梳理出了轉(zhuǎn)換概率對各種參數(shù)的依賴關系，從而提供了CP破壞的證據(jù)。他們以95%的置信水平排除了CP守恒，這表明CP破壞參數(shù)可能很大（如果中微子和反中微子的行為完全一樣，那么CP破壞參數(shù)應當為零）。
這樣的測量結(jié)果無疑是令人興奮的。但如果想要最終肯定這一發(fā)現(xiàn)，就需要無比牢靠的證據(jù)加以佐證——他們需要超過99.9999%的置信水平才能確定真的發(fā)生了輕子CP破壞。因此，研究人員還需要用更強的光束、更大的探測器、更精妙的實驗設計，來更精確地測量振蕩概率。
未來，下一代的中微子實驗將迎面挑戰(zhàn)這一重任。日本的T2HK實驗就是一個基于與T2K實驗相同的技術的升級版，它將使用T2K實驗所用到的10倍質(zhì)量的水和更強的光束。
今年2月，T2HK已獲得了官方批準，很快就將投入建設之中，它將與位于美國的DUNE一起，相互提供互補的技術和測量方法?；蛟S在未來15年里，我們就能對為什么我們可以存在于這個宇宙中有著更清晰的答案。
聯(lián)系客服
