变形中微子有望破解反物质之谜 中微子质量电子的1/10亿

邓文龙

作者：张章

来源：中国科学报

发布时间：2016/8/25 7:54:48

变形中微子有望破解反物质之谜



超级神冈探测器正在搜寻物质和反物质间的差异。图片来源：日本神冈探测器

为何宇宙中充满了物质而非反物质是物理学的最大谜题之一。现在，日本的一项研究或许给出了答案：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。

在近日于美国芝加哥举办的高能物理国际会议（ICHEP）上，日本科学家表示，还需要收集更多数据才能对此理论进行确认。

“你可能打赌这种不同存在于中微子中，但直言我们能看到它还为时尚早。”西北大学理论物理学家André de Gouvêa说。

即便如此，这一发现似乎增加了中微子研究的兴趣。这种广泛存在但难以捕捉的粒子，似乎是揭开众多物理学之谜的关键。

在粒子物理学领域，20世纪70年代建立的标准模型久经考验而屹立不倒。但上世纪90年代，有一种粒子公然挑战其规则，它就是中微子。根据理论，中微子不具有质量，但1998年，物理学家利用日本超级神冈探测器，发现中微子具有质量——尽管不足电子的十亿分之一。

参与费米国家加速器实验室NOvA中微子实验的物理学家Keith Matera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，而且科学家也慢慢意识到，或许可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。”他说。

根据大爆炸理论和粒子物理理论，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。物理学家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。一些物理学家认为，中微子的一种超重“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类似的不平衡，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，日本东海—神冈中微子实验（T2K）的研究人员探究了物质和反物质中微子的差别，分析了在3种“味”之间振荡的差异。中微子有3种：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。根据量子力学，不同的中微子之间可以相互转换，人们称之为中微子振荡。

他们从位于东海海边的质子加速器研究中心向295公里外的超级神冈探测器发射出一束μ子中微子。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子中微子变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。

罗切斯特大学物理学家Konosuke Iwamoto在出席ICHEP时表示，两束中微子的表现略有不同。

该研究团队预测，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物理学家、T2K实验成员Chang Kee Jung说：“这表明物质和反物质的振荡方式不一样。”

但Jung还指出，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行为表现一模一样，科学家们也有1/20的机会（2西格玛）看见这样的结果。

因此，科学家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。

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，以加快搜集数据的速度。

NOvA实验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。Jung提到，这两个团队已经同意联手对数据进行分析，到2020年，得到的数据的统计置信度有望达到3西格玛。

不过，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。

无论如何，物理学家几乎以年为单位获得各种中微子研究突破，Gouvêa表示，“对于粒子物理学而言，这种变化是非常快的”。（张章）

《中国科学报》 (2016-08-25 第3版 国际)

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《自然》相关报道（英文）

http://www.nature.com/news/morph ... ter-mystery-1.20405



http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/8/354599.shtm