Nature封面:宇宙物质起源的证据找到了?

量子位

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· 2020.04.16

人们已经找到了正物质最终如何击败反物质的原因之一。

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Nature封面:宇宙物质起源的证据找到了?

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图片来源@视觉中国

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钛媒体注:本文来自于量子位(ID:QbitAI),作者为鱼羊、晓查,钛媒体经授权发布。

众所周知,宇宙诞生于一次大爆炸。

然而大爆炸之后发生了什么,人类到现在也没完全搞清楚。

比如说,我们发现的物理规律是对称的,那么对称的定律就会让大爆炸产生的正物质和反物质一样多。

但正物质和反物质遇到一起就“灰飞烟灭”,所以如果正反物质一样多,宇宙不会有质子电子,更不会有原子,更不会有生命诞生。

究竟是什么打破了宇宙的对称性?

在解开这一重要谜题的道路上,今天,人类又迈出了重要一步:

人们已经找到了正物质最终如何击败反物质的原因之一。

来自日本、美国、俄罗斯等12国的T2K团队,经过十年的累计观察发现,是中微子打破了这种对称性,而宇宙终极的不对称性可能就藏在中微子的不对称中。

这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

为了搞清楚这个问题,首先让我们来了解一下什么是中微子?

任何物理现象都应该满足的能量、动量、角动量守恒定律,核反应也不例外,但是科学家们发现,原子核的β衰变(放出一个电子)似乎并不满足。

气泡室中观测到的中微子

为了解释这一现象,物理学家泡利提出原子核在裂变中还会放出一种很难探测到的不带电粒子。

由于人类已经发现一种不带电的中性粒子,叫做中子。这种不带电更轻的粒子,只能被叫做“微小的中子”,也就是中微子

值得一提的是,中国物理学家王淦昌在1941年提出了一种探测中微子的方法,但是当时的中国还在抗战中,根本没有实验条件。之后被另外两位美国物理学家发现,并获得了诺贝尔奖。

在我们的生活中,中微子可以说是无处不在,比阳光还要常伴。

因为最大的中微子源就是太阳,太阳是个巨大的核反应堆,核聚变会产生大量的中微子。

而每秒通过我们身体的就有几万亿个。不过不必担心辐射问题,因为中微子和物质的相互作用极弱,乃至可以轻松穿过一千个地球,所以对你身体几乎不会有任何影响。

最初,科学家们根据太阳模型计算出中微子数量,和地球上探测到的数量存在巨大差异。差了多少呢?后者只有前者的1/3,剩下的2/3到哪里去了?

考虑到地球和太阳之间几乎是空无一物的真空,显然中微子不可是被什么东西挡住了,况且中微子的穿透力还这么强。

后来科学家们发现,其实中微子总共有三种“味道”:电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。它们分别在电子、μ子、τ子参与的核反应中产生,也只能和对应的粒子反应。

这三种中微子在接近光速飞行的途中可以相互转换,物理学家把这种现象叫做中微子振荡

太阳内的核反应只能产生电子中微子,它在飞向地球的过程中,有2/3变成了μ子中微子和τ子中微子。

而我们过去的实验方法只能探测到电子中微子,所以就漏掉了另外的2/3。

“挖坑灌水”找中微子

既然中微子和物质之间的作用这么弱,我们又如何找到它?

科学家给出的方法是“加大剂量”。

中微子和物质原子产生相互作用是一个小概率事件,如果我们用足够的原子去“捕捉”中微子,总会有那么几个被发现的。

T2K实验采用的探测器,就是日本超级神冈探测器(Super-K)。

超级神冈探测器位于1000米深的地下,由一座废弃的砷矿改造而成。

超级神冈是一个高41.4米、直径39.3米的不锈钢圆柱体“巨型水箱”,里面装着5万吨超纯水

△ 超级神冈探测器内部

之所以选这么深,是为了让地球的岩层屏蔽掉其他射线粒子,而中微子穿透力最强,最后到达探测器的就几乎只剩它了。

简而言之,超级神冈就是“挖坑”和“灌水”。

为了发现为数不多被捕获的中微子,超级神冈内部装有11146个光电倍增管

 超级神冈内的光电倍增管

当中微子和水中的原子核与电子发生反应后,就可能产生高能的电子或正电子,速度甚至超过了水中的光速。

当电子或正电子在水中以这么高的速度前进时,就会在粒子后方的尾巴上产生切连科夫辐射。浸在水中的核反应堆发出的幽幽蓝光,就是这种辐射。

 核反应堆产生的切连科夫辐射

辐射中的光子射入光电倍增管中,就会产生电子,电子在电场中加速,从而产生更多的电子,像雪崩一样,最终产生可以探测到的电流。

通过不同位置光电倍增管的电信号数据,科学家们就可以确定中微子的入射方向和“味道”。

在这次Nature的封面文章之前,超级神冈在物理学历史上可谓大名鼎鼎、屡立奇功,共产生了两个诺奖级的研究成果。

日本物理学家小柴昌俊因为用超级神冈在探测宇宙中微子方面做出的贡献,获得了2002年的诺贝尔物理学奖。

 小柴昌俊

另一位日本物理学家梶田隆章因为用超级神冈“发现了中微子振荡,证明了中微子具有质量”,获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

原来中微子不对称

说了这么多,中微子和宇宙的起源又有什么关系呢?

前苏联原子物理学家安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)曾就宇宙物质起源问题提出过一种机制。

他猜想的原因之一,就是物质和反物质的对称性并不完美,分子表现出的特性略有不同。这种差异可能导致宇宙大爆炸后的冷却过程中,物质过剩。

如果宇宙后来的正反物质不一样多,就需要满足“萨哈罗夫条件”,其中的重要一条就是CP对称性的破坏。

CP对称性的意思是,把一个粒子的电荷换成与之相反的电荷,同时把粒子的自旋(自转方向)翻转过来,物理定律应该保持不变。

如果正反物质不一样多,必须在宇宙诞生初期CP对称性被破坏。

其实1960年代以来,物理学家已经发现了CP对称性破坏,但多是其他一些较少见的粒子。

科学家们期望着有更大的CP不对称被发现,直到最新中微子实验结果的发表。

而来自T2K合作组织的这项最新研究成果,在极大程度上满足了这一假设条件。

T2K使用日本质子加速研究中心(J-PARC)加速器产生的μ子中微子和μ子反中微子束,研究这些粒子和反粒子如何分别转变为电子中微子和电子反中微子。

在实验中,研究人员观察到,长基线中微子和反中微子振荡的测量结果显示,中微子比反中微子具有更高的震荡概率。

这种差异由CP破坏相角表示。如果相角为0,并且中微子和反中微子的行为相同,则该实验将检测到大约68个电子中微子和20个电子反中微子。

事实却并非如此。最终,T2K探测到了90个电子中微子和15个电子反中微子。

也就是说,在300公里的行程中,中微子改变“味道”的可能性更高,而反中微子的这一概率则相应地低于预期。中微子和它的反粒子振荡概率不一样。

这是人类首次捕捉到中微子中的CP破坏现象。

在中微子中发现CP对称性破坏,暗示着更大的不对称性正在早期的宇宙中发挥作用。但中微子本身还是太渺小了,无法完成这项工作。

但是三种“味道”的中微子都可能与一种叫做“惰性中微子”的暗物质联系在一起,它们之间的相互作用会打破宇宙的平衡。

日内瓦大学物理学家,T2K合作组织发言人费德里克·桑切斯(Federico Sánchez)这样说道:

我们第一次捕获到中微子中,CP破坏的现象。是一个真正的里程碑。

同时,也高度证明了,中微子和反中微子的行为是不同的。

这一点同样是个大突破——尽管人们已经发现了其他粒子中有物质-反物质差异,但那些差异太小了,并不足以解释现实宇宙存在的现象。

下一步实验,需要收集足够的数据来证实这一新发现。

因为当前T2K的结果出于统计意义的3σ水平,如果完全排除物质-反物质对称性,置信度会下降到2σ。而粒子物理学研究中,通常要求置信度为5σ。

德国马克斯-普朗克核物理研究所的中微子物理学家Werner Rodejohann对此持乐观态度,因为在自然界中,中微子和反中微子如此不同,这将使证据累积的速度比预计快数年。

桑切斯也说,尽管目前的发现尚未满足解决物质起源问题的所有条件,“但显然正在朝正确的方向行进”。

而目前的结果,对下一步的研究有至关重要的指导意义。

不过,要达到5σ水平,仅靠T2K实验是不太可能的。

所幸,物理学家们或许能在下一代中微子探测器中找到答案,即将投入使用的此类探测器包括:

  • 中国的JUNO,计划在2022年投入使用;

  • 美国的DUNE,计划在2025年开始使用;

  • 位于超级神冈附近的Hyper-Kamiokande,预计于2027年开始使用。

下面简单介绍一下T2K合作项目。

T2K的意思是东海(Tokai)到神冈(Kamioka),是日本的一个国际性粒子物理学实验,参与的国家包括日本、加拿大、法国、德国、意大利、韩国、波兰、俄罗斯、西班牙、瑞士、美国和英国。

T2K实验旨在研究中微子在传播过程中如何从一种味道变为另一种味道。中微子束自日本东海岸的J-PARC加速器产生,并被引导到日本西部山区的超级神冈中微子探测器,中微子束强度和成分的变化,能提供有关中微子性质的信息。

中微子的其他趣闻

最后,还有一事值得分享。

中微子,一直是粒子物理学界的研究热点。

关于中微子的研究,还发生过许多有趣的故事。

比如去年11月,天才数学家陶哲轩破天荒和三位素昧平生的物理学家,一起发表了一个简单方程式,求解特征向量的数学论文,事情的起因就是中微子振荡研究。

三位物理学家在计算中微子振荡概率的时候发现:特征向量和特征值的几何本质,其实就是空间矢量的旋转和缩放。而中微子的三个味(电子,μ子,τ子),不就相当于空间中的三个向量之间的变换吗?

还有“中微子超光速”乌龙记。

2011年9月,意大利OPERA研究组在欧洲核子中心宣布:他们在实验中发现中微子的速度“跑”过了光速。这一发现挑战了爱因斯坦狭义相对论中“光速不可超越”的理论基础,引起极大关注。

不过,2012年初,研究人员发现其实是设备硬件问题造成了“超光速”的结果,闹了个大乌龙。

接下来,为了更精确的结果,各国的科学家们还要继续挖更大的坑、灌更多的水。

中微子和超级神冈是否会成就下一个诺贝尔奖呢?

传送门:

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

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

参考链接

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

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