困擾已久,反物質之謎!中微子的奇特行為或可揭開其神秘面紗
2023-04-01 05:58:49 2
我們還需要大量數據才能確認。
宇宙最大的謎團之一——為什麼物質是多餘的反物質。
我們離解決宇宙中最重要和最基本的謎團又近了一大步。
科學家認為,在140億年前宇宙誕生之初,它包含了同樣數量的物質和它奇怪的對應物——反物質。
反物質粒子與相應的正常物質粒子具有相同的質量和相反的電荷。也許最著名的一對是電子(正常物質,帶負電荷)和正電子(反物質,帶正電荷)。
當物質和反物質粒子碰撞時,它們將以高效率湮滅並轉化為100%的能量。(科幻小說作家喜歡在他們的星際飛船上安裝反物質引擎,這就是原因)。
這其中有一個謎:如果宇宙誕生時有相同數量的粒子和反粒子,它們應該已經發現了彼此並相互湮滅,使我們的宇宙完全消失。但很明顯,那沒有發生,你的存在可以證明這一點。最終結果是物質比反物質多一點——每十億對物質和反物質中只有一個粒子。多年來,物理學家已經收集了一些關於超級物質之謎的線索。例如,在20世紀60年代,他們發現夸克和反夸克的行為並不完全相同。然而,這種對電荷共軛宇稱反轉對稱性(簡稱CP對稱性)的違反不足以解釋物質和反物質之間的區別。
另一種不同的對稱性破壞可能是夸克(質子和中子的構造塊),但夸克不是唯一的亞原子粒子。夸克被稱為輕子的親戚,輕子包括電子、μ粒子、τ粒子和中微子。(夸克和輕子是費米子,費米子是亞原子粒子的兩個主要類別之一。另一種是玻色子,包括光子、膠子、希格斯粒子和未經證實的引力子。
一項新的研究在中微子中尋找CP對稱性破缺的跡象,並獲得了一些有趣的結果。大部分數據來自日本質子加速器研究機構(PARC)的T2K項目。根據實驗裝置的不同,會產生中微子或反中微子束。
絕大多數光束中的粒子穿過地球的速度很快,就好像我們的地球不存在一樣(中微子,也就是所謂的「幽靈粒子」,也是如此的奇怪和不可預測)。然而,在離東海183英裡(295公裡)的深港天文臺,一些粒子被一個地下探測器標記。探測器是一個水箱,裝有55,000噸(50,000噸)非常純淨的水。當中微子與容器中的中子相互作用時,它會產生介子或電子。敏感設備會收集這些間接產生的粒子。
這種監控包括許多信息。例如,當中微子傳播時,它們在三種不同的「味道」之間振蕩,即電子中微子、μ子中微子和τ中微子。(是的,味道的名稱令人困惑,因為電子、μ子和τ也是不同粒子的名稱。但是粒子物理學本質上是令人困惑的!味道的類型決定了它們在與中子碰撞時會產生什麼次級粒子。
T2K項目團隊分析了2009年至2018年的數據,並觀察了類似的實驗。在4月15日發表在《自然》雜誌上的新研究中,研究人員指出,他們發現了中微子和反中微子振蕩不同的證據。英國達勒姆大學的物理學家西爾維亞·帕斯誇爾(Sylvia Pasquale)和美國能源部費米實驗室的物理學家傑西卡·特納(Jessica Turner)在同一時期的《自然》雜誌的「新聞與觀點」中寫道,「這些結果排除了95%可信區間守恆(CP違例),CP違例的參數可能非常大。」
帕斯克裡和特納沒有參與新的研究。他們說:「這些結果可能是我們宇宙中物質——反物質不對稱起源的第一條線索。」然而,這些結果本身並不是中微子和反中微子CP缺乏的確切證據。日本京都大學的一川明子是這項研究的主要作者,他在一封電子郵件中說:「我們已經看到了一些跡象,我們的結果是觀察慢性胰腺炎缺乏的重要一步。」
市川強調,進一步的研究需要更多的數據。但是好消息是幾個下一代中微子實驗已經開始了。例如,日本的T2HK是T2K、帕斯誇爾和特納的升級版,它於今年2月正式啟動。還有將於2026年左右開始的深層地下中微子探測實驗。實驗將使用費米實驗室的中微子束和探測器以及南達科他州的探測器進行。「T2HK和DUNE將為以前的實驗提供補充技術和檢測。他們可能會在未來15年給我們一個明確的答案。」
作者:邁克·沃爾
風雲:天文志願者團隊
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