行为奇特的中微子能解释宇宙中物质的存在吗?
时间: 2018/10/30 10:06:14    作者:任天
来源: 新浪科技

    据国外媒体报道,科学家沉醉于探索未知的奥秘,而如果奥秘越大,他们的热情就越高。科学上有太多未解之谜,但如果要说最宏大的谜题是什么,那估计很少能超过“宇宙为什么存在?”这一问题。

  这听起来似乎是一个哲学问题,但其实是一个非常适合科学探究的问题。更具体来说,这个问题是“为什么宇宙由物质组成,这些物质使人类生命成为可能,甚至使我们能问出这个问题?”在日本从事研究的科学家于上个月宣布了一项测量的结果,似乎直接解决了这一最令人着迷的问题。他们的测量结果看起来与目前理论的最简单期望不符,却很有可能指向了这一永恒问题的答案。

  他们的测量结果似乎表明,对于一组特定的亚原子粒子,物质和反物质的作用是不同的。

  物质vs反物质

  利用位于日本东海市的J-PARC加速器,科学家向超级神冈探测器发射了一束幽灵般的亚原子粒子——中微子及其反物质对应物(反中微子)。该实验被称为“T2K”(意为从东海向神冈),旨在确定我们的宇宙为什么是由物质构成的。中微子会表现出一种奇特的行为——称为“中微子振荡”——而该行为或许能为解决这一棘手问题提供线索。

  宇宙为什么由物质构成?在科学家看来,这个奇怪问题背后,其实有着很合理的成分,因为在我们已知存在的物质之外,还存在着反物质。

  1928年,英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)提出了存在反物质的观点。等量的物质与反物质结合,会导致湮灭,同时释放出大量能量。而且,由于物理学原理通常反过来也同样有效,因此如果有巨大的能量,还可以转化为完全相等的物质和反物质。美国物理学家卡尔·安德森(Carl Anderson)在宇宙射线中发现了正电子,证实了反物质的存在。此后将近一个世纪的时间里,物理学家对反物质的性质进行了广泛的研究。

  然而,所谓“完全等量”的说法正是难题的症结所在。在大爆炸之后的短暂时间里,宇宙充满了能量。随着宇宙的膨胀和冷却,这些能量应该转化为等量的物质和反物质亚原子粒子,后者应该是今天能观察到的。然而,我们的宇宙基本上完全由物质构成,这怎么可能呢?

  科学家通过计算宇宙中原子的数量,并与我们所见的能量进行比较,确定这种“完全等量”的说法并不完全正确。不知何故,在宇宙诞生后约万亿份之一秒时,自然法则向物质这边稍微倾斜了一下。对于每3,000,000,000个反物质粒子,就有3,000,000,001个对应的物质粒子。30亿个物质粒子和30亿个反物质粒子结合并湮灭,释放出能量,剩余的物质粒子组成了我们今天所见到的宇宙。

  在将近一个世纪前理解了这一谜题之后,物理学家便一直在研究物质和反物质,试图在亚原子粒子中发现可以某些行为,来解释为什么物质会多于反物质。他们确信物质和反物质的数量是相等的,但也观察到一类被称为夸克的亚原子粒子表现出略微偏向物质(而非反物质)的行为。对这一行为的测量十分微妙,涉及到一类被称为K介子的粒子,它可以从物质转变为反物质,然后再转变回来。但是,与反向过程相比,从物质转变为反物质的情况略有不同。这一现象——CP对称被破坏——出乎科学界的意料,并且使发现该现象的物理学家获得了1980年的诺贝尔物理学奖。然而,这一现象发生的程度还不足以解释为什么物质在今天的宇宙中占主导地位。

  幽灵般的中微子束

  因此,科学家将注意力投向了中微子,观察它们的行为是否能解释多余的物质。中微子是亚原子世界中的幽灵,只通过弱核力相互作用,能够在穿过物质的同时几乎不与其发生相互作用。中微子可以通过放射性衰变和核反应等方式产生,而太阳内部时时刻刻都在发生着核反应。据计算,地球面向太阳区域每秒钟在每平方厘米上都会穿过大约650亿个来自太阳的中微子。如果你想让自己免受一半太阳中微子的影响,就需要一块厚度达5光年的固体铅。中微子确实不怎么会与物质粒子相互作用。

  在1998年至2001年间,一系列实验——有的使用超级神冈探测器,有的使用加拿大安大略省萨德伯里中微子观测站的探测器(SNO探测器)——证实,中微子还具有另一种令人惊奇的行为:它们能改变自己的“身份”。

  物理学家知道中微子可以分为三种,即有三种“味”:电中微子、μ中微子和τ中微子。电中微子总是伴随着电子,而μ中微子和τ中微子非常像电子,但更重且不稳定。这三种中微子可以互相转化,科学家将这种转化过程称为“中微子振荡”。

  中微子振荡是一种独特的量子现象。想象一下,你买了一个香草冰淇淋,当你去拿了一把勺子回来后,发现冰淇淋变成了一半香草和一半巧克力的口味。中微子的转化过程是从一个味变成不同味的混合,再变成完全不同的味,之后又转变为原来的味。

  反中微子振荡

  中微子是物质粒子,但反物质中微子即“反中微子”也是存在的。这又引出一个非常重要的问题。存在中微子振荡,那么反中微子也会振荡吗?它们振荡的方式与中微子相同吗?第一个问题的答案是肯定的,反中微子也会振荡,但第二个问题目前还没有答案。

  让我们更全面地考虑这个问题,不过是以简化的方式:假设只有两种中微子——μ中微子和电中微子;进一步假设有一束纯粹的μ中微子。中微子以特定的速度振荡,并且由于传播速度接近光速,它们的振荡会呈现为一个与距离有关的函数。因此,在某一距离上,一束纯粹的μ中微子会看起来像是μ中微子和电中微子的混合,然后在另一距离上又变成纯粹的电中微子,之后又重新转变为纯粹的μ中微子。反中微子的转变过程也是如此。

  然而,如果中微子和反中微子以略微不同的速率振荡,那你就会发现,如果你与一束纯μ中微子或μ反中微子产生位置的距离是固定的,那么在中微子的情况下,你会看到μ中微子和电中微子的混合;但是在反中微子的情况下,你看到的是另一种反物质μ中微子和电中微子的混合。实际的情况很复杂,因为存在三种中微子,而且它们的振荡取决于粒子束的能量。

  对中微子和反中微子不同振荡频率的观测将是理解宇宙为什么由物质组成这一问题的重要一步。这并不是故事的全部,因为其他新的现象也必须成立,但中微子和反中微子之间的差异对解释宇宙中为何物质更多的问题是必要的。

  在目前描述中微子相互作用的主流理论中,有一个变量对中微子和反中微子存在不同振荡方式的可能性很敏感。如果该变量为0,则这两类粒子以相同的速率振荡;如果该变量不是0,则两类粒子有不同的振荡方式。

  当T2K实验测量这一变量时,研究人员发现它与中微子和反中微子具有相同振荡方式的假说不一致。从技术上说,他们确定了这个变量的一系列可能值。该变量的真实值落在可能值范围内的概率是95%,在范围之外的概率则只有5%。因此,振荡方式“无差别”的可能性只有不到5%。

  简单来说,目前的测量结果表明,中微子和反中微子有着不同的振荡方式,尽管测量精度还无法达到做出确定结论的水平。事实上,批评者指出,应该以非常非常怀疑的态度来审视这种统计显著性水平的测量结果。无论如何,这肯定是一个极具轰动效应的初步结果,整个科学界都非常乐于见到更加完善和精确的研究。

  T2K实验将继续记录其他数据,希望能进行更加精确的测量。不过,进行该实验的科学家并不孤独。在芝加哥郊外的费米实验室,物理学家正在进行一项名为NOVA的类似实验。通过向明尼苏达州北部发射中微子和反中微子,他们希望击败T2K实验。而且,展望未来,费米实验室还在努力开展一项“旗舰”实验,即“深地下中微子实验”(Deep Underground Neutrino Experiment,简称DUNE)。该实验将具有更强大的能力来研究这一重要现象。

  尽管T2K实验的结果还不是决定性的,需要谨慎看待,但该实验无疑令人兴奋。面对宇宙中似乎极少有反物质这一宏大的问题,科学界将热切期待更新进展的出现。编辑:于戈

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