反物质到的中微子大科普

文章作者:lili | 2016-08-22
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影片《魔鬼与天使》片头就讲述人类在实验室生成了反物质!从而将悬疑故事娓娓道来物质是一种人类陌生的物质形式,在粒子物理学里,反物质是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的。反物质和物质是相对立的,会如同粒子与反粒子结合一般,导致两者湮灭并释放出高能光子或伽玛射线。但目前宇宙天体均为正物质,没有反物质。对此科学家给出了自己的推测和理论。

为什么现在的宇宙物质多于反物质 能“变形”的中微子或是背后推手

现在的宇宙中物质多于反物质

根据大爆炸理论和粒子物理理论,宇宙起源于大约137亿年前的一次大爆炸。在宇宙诞生之初,能量转化为同样多的正物质与反物质,这两种物质相遇会发生剧烈爆炸,转化为能量,并归于湮灭。可是目前宇宙中的天体均为正物质,没有发现反物质天体。

为什么现在的宇宙间充满了正物质而非反物质呢?这是物理学领域最大的谜团之一。英国《自然》杂志8月12日报道说,在近日于美国芝加哥举办的第38届高能物理国际会议(ICHEP)上,日本科学家们给出了一个解释:中微子这种亚原子粒子在物质形态和反物质形态的表现不同。不过,他们也表示,还需要收集更多数据才能对此解释进行确认。

中微子究竟为“何方神圣”

在粒子物理学里,标准模型是一套描述强力、弱力、电磁力这三种基本力,以及组成所有物质的基本粒子的理论。自从20世纪70年代标准模型建立后,一直久经考验而屹立不倒。但上个世纪90年代,有一种粒子公然藐视其规则,它就是中微子。根据理论,中微子不具有质量,但实际情况是,1998年,物理学家利用日本一个矿内的超级神冈探测器,发现中微子具有质量——尽管不足电子的十亿分之一。

参与美国费米国家加速器实验室NuMI离轴中微子实验(NOVA)的物理学家基斯·马特拉称,从那时开始,世界各地的中微子实验如雨后春笋一样冒出,而且科学家们也慢慢意识到,他们或许可以以这一粒子为突破口获得新的发现和解释。“它们是标准模型中的缺口。”

中微子有3种:电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。中微子不带电,质量极小。根据量子力学,不同的中微子之间可以相互转换,我们称之为中微子振荡。

正反中微子行为有别

在现在的宇宙中,物质明显比反物质多,物理学家们观察了一些物质粒子和反物质粒子,如K介子和B介子的行为差异,但并不足以解释物质为何会超越反物质,取得支配地位。

一个答案可能是超重粒子在宇宙诞生初期,采用不对称的形式衰变产生了更多的物质。有科学家认为,中微子一种超重的“亲戚”可能是“幕后推手”。根据这一理论,如果中微子和反中微子现在表现得不一样,那么,其更古老的对应物也应该存在同样的不平衡,这或许可以解释为什么物质比反物质多。

为了测试这一想法,日本从东海到神冈的中微子实验(T2K)的研究人员探究了物质和反物质中微子行进时,在三种“味”之间振荡的差异。他们从位于日本东海海边的质子加速器研究中心发射出一束μ子中微子,到295公里远的超级神冈探测器(这个地下铁罐装满了5万吨水)。研究人员计算出了在此过程中,有多少电子中微子出现——这是μ子中微子在整个旅程中变形成另一种中微子的信号。随后,他们使用一束介子反中微子,重复了这一实验。

美国罗切斯特大学的物理学家岩本幸之助(音译)在出席ICHEP时表示,两束中微子的表现略有不同。

该研究团队认为,如果物质和反物质的行为没有差异,那么,他们将在探测器内发现24个电子中微子和7个电子反中微子(因为反物质更难生成和探测),但结果他们发现了32个中微子和4个反中微子。纽约州立大学石溪分校的物理学家、T2K实验成员姜常金(音译)说:“这表明,物质和反物质的振荡方式并不一样。”

还需更多数据验证

尽管T2K和NovA实验提供的初步结果都表明了同样的观点,但迄今为止的观察可能只是概率事件,如果中微子和反中微子的表现一模一样的话,科学家们也有二十分之一的机会(2西格玛)看见这样的结果。

因此,科学家们需要更多数据对这一信号进行验证,T2K本轮实验将运行到2021年,届时它将获得目前5倍多的数据,但该研究团队将需要大约13倍的数据,才能将统计置信度提升到3西格玛——大多数物理学家愿意接受数据合理但不能完全确定的门槛。

为了收集更多必需的数据,T2K团队提出将实验延续到2025年。不过,与此同时,他们也打算通过与NovA合作,从而加快搜集数据的速度。目前,参与NovA实验的科学家们已从费米国家实验室发射一束中微子到810公里之外的位于明尼苏达州北部的一座矿井下,并将于2017年发射反中微子束。这两个团队已经同意携手对数据进行分析,到2020年,得到的数据的统计置信度有望达到3西格玛。

研究人员表示,要想达到宣布某些数据为“一项发现”所需要的统计置信度5西格玛,可能需要新一代的中微子实验,目前全球各地正在计划这些中微子实验。

尽管如此,这一发现激发了科学家们对于物理学界的“香饽饽”——中微子进行深入研究的兴趣。他们认为,这种无所不在而又飘忽不定的粒子可能是解决多个物理学谜团的“钥匙”。

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