感覺就像阿波羅控制室在登月前幾秒鐘一樣。對於6月14日聚集在俄羅斯杜布納核研究所會議室的大約60名物理學家來說，這是關鍵時刻。經過近十年的努力，他們孜孜不倦地尋找宇宙中最稀有的放射性衰變過程之一——如果它存在的話——的結果即將揭曉。
狩獵場是15公斤純鍺晶體，它們被極端隔離地儲存在義大利一座山下深處。鍺探測器陣列（GERDA）合作組的成員一直在監測晶體內部的電活動，希望能檢測到“無中微子雙β衰變”，即鍺-76原子核內部的粒子自發重組，將其轉化為硒-76。這種化學衰變可能為物理學中最大的謎團之一提供解決方案：為什麼宇宙中存在某種東西而不是虛無。
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在其他型別衰變、探測器噪聲和流浪輻射引起的電活動混亂中，物理學家們預計他們的儀器會捕捉到兩到三個背景噪聲尖峰，這些尖峰與無中微子雙β衰變產生的尖峰非常相似。但他們需要更強的訊號——八到十個尖峰——才能確信他們真的檢測到了它。
在房間前面的一個大螢幕上，答案出現了：三個尖峰。“當我們看到這個數字時，很明顯沒有訊號，”德國慕尼黑馬克斯·普朗克物理研究所所長兼 GERDA 合作組成員 艾倫·考德威爾 說。但這個負面發現仍然是一場勝利。以前對無中微子雙β衰變的搜尋被不受控制的背景噪聲所破壞。GERDA 的極端靈敏度和精確的背景估計使研究人員能夠明確排除訊號。“每個人都拿著相機拍照，互相拍背，”考德威爾說。
9月19日《物理評論快報》報道的零結果表明，一個樣本中一半的鍺-76原子發生衰變需要至少30萬億億年，如果它們真的會衰變的話，這是宇宙年齡的2000萬億倍。如果“半衰期”短得多，GERDA 就會檢測到訊號。因為半衰期越長意味著衰變越稀有，科學家現在知道他們需要監測更大數量的鍺樣本。
“很難表達為什麼一個負面結果是一個令人興奮的結果，”慕尼黑工業大學物理學家兼 GERDA 合作組發言人 斯特凡·舍納特 說。但他說，這很簡單：“我們的實驗成功了。”
從虛空中誕生
根據粒子物理學的標準模型，宇宙應該是空的。物質和反物質（除了電荷相反外，它們是相同的）似乎在粒子相互作用和衰變過程中以相等的部分產生。然而，物質和反物質在接觸時會立即相互湮滅，因此每種物質的相等數量將意味著在大爆炸後不久兩者都會被徹底湮滅。星系、行星和人類的存在表明，不知何故，少量物質在這種抵消過程中倖存了下來。如果這種情況沒有發生，“宇宙將是空的，”舍納特說。“對於我們這些不存在的人來說，這將非常非常無聊。”
一些物質的倖存可能在於被稱為中微子的亞原子粒子。這些粒子可能具有一種特殊性質，會導致無中微子雙β衰變。
當一個原子發生一種型別的β衰變時，其原子核內的一箇中子會自發地轉變為質子、電子和反中微子（中微子的反物質對應物）；在一種型別的逆β衰變中，中子吸收一箇中微子並變形為質子和電子。
在無中微子雙β衰變中，這兩個過程將同時發生：第一種衰變產生的反中微子將充當進入第二種衰變的中微子。只有當意大利物理學家埃託雷·馬約拉納在1937年假設的那樣，中微子和反中微子是同一個粒子時，才會發生這種雙重反應。由於中微子是電中性的，因此沒有任何東西阻止它們成為“馬約拉納粒子”，或者同時是物質和反物質。
德國海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的物理學家伯恩哈德·施溫根霍伊爾說：“中微子是它自己的反粒子似乎很自然。”“在這種情況下，應該存在無中微子雙β衰變。”
如果衰變確實存在，證明中微子是馬約拉納粒子，這可以解釋物質-反物質不對稱性。
一個被廣泛支援的假設稱為 蹺蹺板機制，該機制預測馬約拉納中微子將有兩種形式：今天觀察到的輕量級中微子和只能在像新生宇宙這樣的高能環境中存在的重量級中微子。（它們的質量具有反比關係，就像蹺蹺板的兩側。）該理論最初是為了解釋為什麼中微子的質量遠小於標準模型的其他粒子，但它也為過剩的物質提供了一種方法。
在大爆炸發生後的瞬間，這些原始的重中微子將經歷一個稱為 輕子生成的過程：計算表明，它們的衰變是不對稱的，產生的輕子（電子、μ子和τ粒子）略少於反輕子。透過傳統的標準模型過程，反輕子的過量隨後將級聯到重子（質子和中子）超過反重子的十億分之一的過量。“重子和反重子相互湮滅，然後剩下的微小不平衡就是我們今天擁有的物質，”考德威爾說。
施溫根霍伊爾說：“如果中微子是它自己的反粒子，那麼解釋物質-反物質不對稱性的所謂輕子生成機制將非常合理。”
儘管存在替代理論，但物理學家們表示，這是解釋不對稱性最流行、最直接、最經濟的方式。如果能獲得八到十個實驗證據的電峰值，它將獲得巨大的推動力。
衰變的新生
半個多世紀前，物理學家們就認識到，觀察無中微子雙β衰變將證明中微子是馬約拉納粒子。但是，直到1990年代末，他們“根本不知道該往哪裡看，”勞倫斯伯克利國家實驗室的中微子物理學家艾倫·潘說。他們知道衰變可能發生在像鍺-76這樣的同位素中，其原子核中的能量比它將變成的同位素要多，在元素週期表上相差兩個位置。但是他們不知道衰變有多麼罕見，因此也不知道他們需要監測多少鍺或者監測多長時間。由於沒有衰變半衰期的可能性範圍，他們的任務感覺就像在“大西洋底部尋找寶藏，”潘說，由於可能沒有任何東西可以找到，這種磨難變得更加糟糕。
鍺-76和其他同位素的半衰期可以透過輕型中微子的質量來計算。過去二十年的實驗表明，這些 中微子在三種“味”之間振盪——電子、μ子和τ——每種都有其三種獨特質量的組合。儘管質量本身是未知的，但振盪的速率決定了它們之間可能的差異。這些反過來又決定了無中微子雙β衰變的三個可能半衰期範圍，從幾萬億億年到幾千億億年不等。這是一個巨大而遙遠的範圍，但它是有限的。
舍納特說：“中微子振盪在隧道盡頭點亮了一盞燈。”
GERDA 的結果——迄今為止對無中微子雙β衰變最敏感的搜尋之一——表明半衰期範圍必須從更高的點開始。該結果證實了EXO-200和 KamLAND-Zen 實驗的最新結果，這些實驗共同將氙-136（另一種可能發生衰變的同位素）的衰變半衰期下限設定為34萬億億年。這些不同合作組的物理學家現在可以繼續有條不紊地研究可能的半衰期範圍。
半衰期越長，衰變越罕見，因此必須監測更多的原子才能看到它。升級後的 GERDA II 期實驗將於明年初開始從 40 公斤的鍺中收集資料；如果其半衰期小於 100 萬億億年，則應在三年執行結束時看到衰變。包括美國境內的 馬約拉納演示器實驗在內的多項搜尋正在建設中，並且計劃進行下一代更敏感的搜尋。更大的樣本意味著更多的背景噪聲，因此每個新的實驗都必須比上一個實驗受到更嚴格的控制。
大多數中微子物理學家希望最終找到衰變。“由於馬約拉納中微子理論的美麗，存在這種偏見，”舍納特說，“但不能保證這是真實的故事。”
經 夸克雜誌 許可轉載，該雜誌是 SimonsFoundation.org 的一個編輯獨立部門，其使命是透過報道數學以及物理和生命科學領域的研究進展和趨勢來增進公眾對科學的理解。