為什麼宇宙中充滿物質，而不是反物質，是物理學中最大的謎團之一。日本的一項實驗現在瞥見了一種可能的解釋：稱為中微子的亞原子粒子在其物質和反物質形式中的行為可能不同。
8月6日在伊利諾伊州芝加哥舉行的國際高能物理會議（ICHEP）上宣佈的這種差異可能並非真實：需要收集更多資料才能確定。“你可能會認為這種差異存在於中微子中，但現在就說我們能看到它還為時過早，”伊利諾伊州埃文斯頓西北大學的理論物理學家安德烈·德·古維亞說。
即便如此，這項公告可能會增加人們對中微子研究的興奮，這些豐富但難以捉摸的粒子似乎越來越成為解決物理學中各種難題的關鍵。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
在 20 世紀 90 年代，人們發現中微子違背了物理學標準模型的預測——對自然界的一個成功但並不完整的描述——因為它具有質量，而不是完全沒有質量。此後，世界各地湧現出中微子實驗，研究人員意識到他們應該從這些粒子中尋找新的物理學解釋，美國費米國家加速器實驗室（Fermilab）名為 NOvA 的中微子實驗的物理學家基思·馬泰拉說。“它們是標準模型中的裂縫，”他說。
一種奇怪的丰度
我們宇宙中物質相對於反物質的過剩是驚人的，因為如果在宇宙大爆炸後以相等的數量產生映象粒子，它們就會在接觸時相互湮滅，只留下輻射。物理學家已經觀察到某些物質粒子和反物質粒子的行為差異，例如介子和 B 介子——但不足以解釋宇宙中物質的優勢。
一種答案可能是，超重粒子在早期宇宙中以不對稱的方式衰變，併產生更多的物質而非反物質。一些物理學家認為，中微子的一個重量級親戚可能是罪魁禍首。根據這個理論，如果今天的中微子和反中微子的行為不同，那麼它們古代的對應物中的類似不平衡就可以解釋物質的過量。
為了驗證這一點，日本東海到神岡 (T2K) 實驗的研究人員尋找物質和反物質中微子在三種類型或“味道”之間振盪方式的差異（參見“改變味道”）。他們從海邊村莊東海村的日本質子加速器研究綜合體向超神岡探測器發射一束一種味道的中微子——μ子中微子，這是一個地下鋼罐，距離超過 295 公里，裡面裝滿了 50,000 噸水。該團隊計算了出現了多少電子中微子——這表明 μ 子中微子在旅程中已經變成了不同的味道。然後他們用一束 μ 子反中微子重複了實驗。
紐約州羅切斯特大學的物理學家巖本功典在國際高能物理會議上的報告中說，這兩束光束的行為略有不同。
奇怪的振盪
該團隊預計，如果物質和反物質之間沒有差異，他們的探測器在經過近 6 年的實驗後，會看到 24 個電子中微子，並且——因為反物質更難產生和探測——7 個電子反中微子。
相反，他們在探測器中看到了 32 箇中微子和 4 個反中微子。“在不深入複雜數學的情況下，這表明物質和反物質的振盪方式不同，”紐約州石溪大學的物理學家、T2K 實驗的成員張紀政說。
來自 T2K 和 NOvA 實驗的初步發現已經暗示了同樣的想法。但到目前為止，觀測結果可能是一種偶然的波動；如果中微子和反中微子的行為相同，那麼看到這些結果的可能性為 1/20（或者用統計學術語來說，大約 2 個西格瑪），張紀政指出。
這將需要更多資料來確認訊號。到 2021 年當前執行結束時，T2K 實驗應該擁有比現在多五倍的資料。但是，該團隊將需要多 13 倍的資料才能將發現的統計置信度推至 3 個西格瑪，這是一個統計閾值，大多數物理學家會認為該資料是合理的——但不是完全令人信服的——不對稱性的證據。
兩個比一個好
T2K 團隊已提議將其實驗延長至 2025 年，以便收集必要的資料。但它正試圖透過將結果與 NOvA 的結果相結合來加速資料收集，NOvA 將中微子束從費米實驗室傳送到明尼蘇達州北部的礦井 810 公里。NOvA 一直在發射中微子束；它將在 2017 年切換到反中微子束。這兩個小組已同意進行聯合分析，並可能在 2020 年左右共同達到 3 個西格瑪，張紀政說。
達到宣佈正式發現所需的統計確定性（5 個西格瑪）可能需要新一代的中微子實驗，這些實驗已經在世界各地規劃中。
NOvA 實驗的研究人員在國際高能物理會議上提出了另一個令人興奮但初步的發現，這也是透過研究 μ 子中微子轉換為電子中微子的速率推斷出來的：暗示中微子的三種不同質量狀態中哪一種最重。他們發現他們的結果略微傾向於正常的質量順序，而不是反向的質量順序。瞭解是哪一個將幫助科學家在關於自然界的四種力如何在諸如大爆炸等高能量下統一為單一力的競爭理論之間做出選擇。
德·古維亞說，物理學家幾乎每年都在對中微子進行新的發現：“對於粒子物理的時間尺度來說，這種情況變化真的非常快。”
本文經許可轉載，首次發表於2016 年 8 月 12 日。