Nature封面：宇宙物質起源的證據找到了！12國團隊耗時十年，中微子不對稱揭示宇宙秘密

魚羊 曉查 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

眾所周知，宇宙誕生于一次大爆炸。

然而大爆炸之后發生了什么，人類到現在也沒完全搞清楚。

比如說，我們發現的物理規律是對稱的，那么對稱的定律就會讓大爆炸產生的正物質和反物質一樣多。

但正物質和反物質遇到一起就“灰飛煙滅”，所以如果正反物質一樣多，宇宙不會有質子電子，更不會有原子，更不會有生命誕生。

究竟是什么打破了宇宙的對稱性？

在解開這一重要謎題的道路上，今天，人類又邁出了重要一步：

人們已經找到了正物質最終如何擊敗反物質的原因之一。

來自日本、美國、俄羅斯等12國的T2K團隊，經過十年的累計觀察發現，是中微子打破了這種對稱性，而宇宙終極的不對稱性可能就藏在中微子的不對稱中。

這一爆炸性的最新研究，登上了最新一期Nature封面。

什么是中微子

為了搞清楚這個問題，首先讓我們來了解一下什么是中微子？

任何物理現象都應該滿足的能量、動量、角動量守恒定律，核反應也不例外，但是科學家們發現，原子核的β衰變（放出一個電子）似乎并不滿足。

為了解釋這一現象，物理學家泡利提出原子核在裂變中還會放出一種很難探測到的不帶電粒子。

由于人類已經發現一種不帶電的中性粒子，叫做中子。這種不帶電更輕的粒子，只能被叫做“微小的中子”，也就是中微子。

值得一提的是，中國物理學家王淦昌在1941年提出了一種探測中微子的方法，但是當時的中國還在抗戰中，根本沒有實驗條件。之后被另外兩位美國物理學家發現，并獲得了諾貝爾獎。

在我們的生活中，中微子可以說是無處不在，比陽光還要常伴。

因為最大的中微子源就是太陽，太陽是個巨大的核反應堆，核聚變會產生大量的中微子。

而每秒通過我們身體的就有幾萬億個。不過不必擔心輻射問題，因為中微子和物質的相互作用極弱，乃至可以輕松穿過一千個地球，所以對你身體幾乎不會有任何影響。

最初，科學家們根據太陽模型計算出中微子數量，和地球上探測到的數量存在巨大差異。差了多少呢？后者只有前者的1/3，剩下的2/3到哪里去了？

考慮到地球和太陽之間幾乎是空無一物的真空，顯然中微子不可是被什么東西擋住了，況且中微子的穿透力還這么強。

后來科學家們發現，其實中微子總共有三種“味道”：電子中微子、μ子中微子、τ子中微子。它們分別在電子、μ子、τ子參與的核反應中產生，也只能和對應的粒子反應。

這三種中微子在接近光速飛行的途中可以相互轉換，物理學家把這種現象叫做中微子振蕩。

太陽內的核反應只能產生電子中微子，它在飛向地球的過程中，有2/3變成了μ子中微子和τ子中微子。

而我們過去的實驗方法只能探測到電子中微子，所以就漏掉了另外的2/3。

“挖坑灌水”找中微子

既然中微子和物質之間的作用這么弱，我們又如何找到它？

科學家給出的方法是“加大劑量”。

中微子和物質原子產生相互作用是一個小概率事件，如果我們用足夠的原子去“捕捉”中微子，總會有那么幾個被發現的。

T2K實驗采用的探測器，就是日本超級神岡探測器（Super-K）。

超級神岡探測器位于1000米深的地下，由一座廢棄的砷礦改造而成。

超級神岡是一個高41.4米、直徑39.3米的不銹鋼圓柱體“巨型水箱”，里面裝著5萬噸超純水。

之所以選這么深，是為了讓地球的巖層屏蔽掉其他射線粒子，而中微子穿透力最強，最后到達探測器的就幾乎只剩它了。

簡而言之，超級神岡就是“挖坑”和“灌水”。

為了發現為數不多被捕獲的中微子，超級神岡內部裝有11146個光電倍增管。

當中微子和水中的原子核與電子發生反應后，就可能產生高能的電子或正電子，速度甚至超過了水中的光速。

當電子或正電子在水中以這么高的速度前進時，就會在粒子后方的尾巴上產生切連科夫輻射。浸在水中的核反應堆發出的幽幽藍光，就是這種輻射。

輻射中的光子射入光電倍增管中，就會產生電子，電子在電場中加速，從而產生更多的電子，像雪崩一樣，最終產生可以探測到的電流。

通過不同位置光電倍增管的電信號數據，科學家們就可以確定中微子的入射方向和“味道”。

在這次Nature的封面文章之前，超級神岡在物理學歷史上可謂大名鼎鼎、屢立奇功，共產生了兩個諾獎級的研究成果。

日本物理學家小柴昌俊因為用超級神岡在探測宇宙中微子方面做出的貢獻，獲得了2002年的諾貝爾物理學獎。

另一位日本物理學家梶田隆章因為用超級神岡“發現了中微子振蕩，證明了中微子具有質量”，獲得了2015年的諾貝爾物理學獎。

原來中微子不對稱

說了這么多，中微子和宇宙的起源又有什么關系呢？

前蘇聯原子物理學家安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）曾就宇宙物質起源問題提出過一種機制。

他猜想的原因之一，就是物質和反物質的對稱性并不完美，分子表現出的特性略有不同。這種差異可能導致宇宙大爆炸后的冷卻過程中，物質過剩。

如果宇宙后來的正反物質不一樣多，就需要滿足“薩哈羅夫條件”，其中的重要一條就是CP對稱性的破壞。

CP對稱性的意思是，把一個粒子的電荷換成與之相反的電荷，同時把粒子的自旋（自轉方向）翻轉過來，物理定律應該保持不變。

如果正反物質不一樣多，必須在宇宙誕生初期CP對稱性被破壞。

其實1960年代以來，物理學家已經發現了CP對稱性破壞，但多是其他一些較少見的粒子。

科學家們期望著有更大的CP不對稱被發現，直到最新中微子實驗結果的發表。

而來自T2K合作組織的這項最新研究成果，在極大程度上滿足了這一假設條件。

T2K使用日本質子加速研究中心（J-PARC）加速器產生的μ子中微子和μ子反中微子束，研究這些粒子和反粒子如何分別轉變為電子中微子和電子反中微子。

在實驗中，研究人員觀察到，長基線中微子和反中微子振蕩的測量結果顯示，中微子比反中微子具有更高的震蕩概率。

這種差異由CP破壞相角表示。如果相角為0，并且中微子和反中微子的行為相同，則該實驗將檢測到大約68個電子中微子和20個電子反中微子。

事實卻并非如此。最終，T2K探測到了90個電子中微子和15個電子反中微子。

也就是說，在300公里的行程中，中微子改變“味道”的可能性更高，而反中微子的這一概率則相應地低于預期。中微子和它的反粒子振蕩概率不一樣。

這是人類首次捕捉到中微子中的CP破壞現象。

在中微子中發現CP對稱性破壞，暗示著更大的不對稱性正在早期的宇宙中發揮作用。但中微子本身還是太渺小了，無法完成這項工作。

但是三種“味道”的中微子都可能與一種叫做“惰性中微子”的暗物質聯系在一起，它們之間的相互作用會打破宇宙的平衡。

日內瓦大學物理學家，T2K合作組織發言人費德里克·桑切斯（Federico Sánchez）這樣說道：

我們第一次捕獲到中微子中，CP破壞的現象。是一個真正的里程碑。

同時，也高度證明了，中微子和反中微子的行為是不同的。

這一點同樣是個大突破——盡管人們已經發現了其他粒子中有物質-反物質差異，但那些差異太小了，并不足以解釋現實宇宙存在的現象。

下一步實驗，需要收集足夠的數據來證實這一新發現。

因為當前T2K的結果處于統計意義的3σ水平，如果完全排除物質-反物質對稱性，置信度會下降到2σ。而粒子物理學研究中，通常要求置信度為5σ。

德國馬克斯-普朗克核物理研究所的中微子物理學家Werner Rodejohann對此持樂觀態度，因為在自然界中，中微子和反中微子如此不同，這將使證據累積的速度比預計快數年。

桑切斯也說，盡管目前的發現尚未滿足解決物質起源問題的所有條件，“但顯然正在朝正確的方向行進”。

而目前的結果，對下一步的研究有至關重要的指導意義。

不過，要達到5σ水平，僅靠T2K實驗是不太可能的。

所幸，物理學家們或許能在下一代中微子探測器中找到答案，即將投入使用的此類探測器包括：

• 中國的JUNO，計劃在2022年投入使用；
• 美國的DUNE，計劃在2025年開始使用；
• 位于超級神岡附近的Hyper-Kamiokande，預計于2027年開始使用。

下面簡單介紹一下T2K合作項目。

T2K的意思是東海（Tokai）到神岡（Kamioka），是日本的一個國際性粒子物理學實驗，參與的國家包括日本、加拿大、法國、德國、意大利、韓國、波蘭、俄羅斯、西班牙、瑞士、美國和英國。

T2K實驗旨在研究中微子在傳播過程中如何從一種味道變為另一種味道。中微子束自日本東海岸的J-PARC加速器產生，并被引導到日本西部山區的超級神岡中微子探測器，中微子束強度和成分的變化，能提供有關中微子性質的信息。

中微子的其他趣聞

最后，還有一事值得分享。

中微子，一直是粒子物理學界的研究熱點。

關于中微子的研究，還發生過許多有趣的故事。

比如去年11月，天才數學家陶哲軒破天荒和三位素昧平生的物理學家，一起發表了一個簡單方程式，求解特征向量的數學論文，事情的起因就是中微子振蕩研究。

三位物理學家在計算中微子振蕩概率的時候發現：特征向量和特征值的幾何本質，其實就是空間矢量的旋轉和縮放。而中微子的三個味（電子，μ子，τ子），不就相當于空間中的三個向量之間的變換嗎？

還有“中微子超光速”烏龍記。

2011年9月，意大利OPERA研究組在歐洲核子中心宣布：他們在實驗中發現中微子的速度“跑”過了光速。這一發現挑戰了愛因斯坦狹義相對論中“光速不可超越”的理論基礎，引起極大關注。

不過，2012年初，研究人員發現其實是設備硬件問題造成了“超光速”的結果，鬧了個大烏龍。

接下來，為了更精確的結果，各國的科學家們還要繼續挖更大的坑、灌更多的水。

中微子和超級神岡是否會成就下一個諾貝爾獎呢？

傳送門：

論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0

Nature報道：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01022-3#ref-CR3

參考鏈接

https://www.quantamagazine.org/neutrino-evidence-could-explain-matter-antimatter-asymmetry-20200415/
https://www.imperial.ac.uk/news/196895/strongest-evidence-that-neutrinos-explain-universe/
https://phys.org/news/2020-04-matter-antimatter-asymmetry-t2k-results-restrict.html