变形中微子有望破解反物质之谜

超级神风正在寻找物质和反物质之间的区别。照片来源:日本神光探测器

为什么宇宙充满了物质而不是反物质是物理学中最大的难题之一。现在，日本的一项研究可能给出了答案:中微子，亚原子粒子，在物质和反物质形式上表现不同。

在最近于美国芝加哥举行的国际高能物理会议上，日本科学家说需要收集更多的数据来证实这一理论。

“你可以打赌这种差异存在于中微子中，但现在说我们能看到它还为时过早。”西北大学的理论物理学家安德烈·德·古韦阿说。

尽管如此，这一发现似乎增加了人们对中微子研究的兴趣。这种广泛但难以捕捉的粒子似乎是解开许多物理学之谜的关键。

在粒子物理领域，20世纪70年代建立的标准模型已经经受了很长时间的考验。但是在20世纪90年代，有一种粒子公开挑战它的规则，那就是中微子。根据理论，中微子没有质量，但是在1998年，物理学家们利用日本的超级神冈德发现中微子有质量——虽然不到电子的十亿分之一。

参与费米国家加速器实验室NOvA中微子实验的物理学家基思·马特拉(Keith Matera)说，从那时起，中微子实验在世界各地如雨后春笋般涌现，科学家们逐渐意识到这种粒子可能是新发现和新解释的突破点。"它们是标准模型中的空白."他说。

根据大爆炸理论和粒子物理理论，在宇宙形成之初，能量被转化为等量的正物质和反物质，当这两种物质相遇时，它们会剧烈爆炸，被转化为能量，然后湮灭。然而，目前宇宙中所有的天体都是正物质，反物质天体还没有被发现。物理学家已经观察到了一些物质粒子和反物质粒子之间的行为差异，例如K介子和B介子，但是这并不足以解释为什么物质已经超越反物质而获得支配地位。

一个答案可能是超重粒子在宇宙开始时不对称衰变，产生更多的物质。一些物理学家认为，中微子的超重“相对”可能是“驱动力”。根据这一理论，如果中微子和反中微子现在表现不同，那么它们的老对手应该有类似的不平衡，这可能解释为什么物质比反物质多。

为了验证这一想法，来自日本东海-新冈中微子实验(T2K)的研究人员探索了物质中微子和反物质中微子之间的差异，并分析了三种“味道”之间的振荡差异。中微子有三种:电子中微子、μ子中微子和τ中微子。根据量子力学，不同的中微子可以相互转换，这叫做中微子振荡。

他们把一束离中国东海海岸质子加速器研究中心295公里远的μ子中微子送到了超级神冈。研究人员计算了在这个过程中出现了多少电子中微子——这是一个信号，表明μ子中微子变成了另一种中微子。然后他们用一束介子反中微子重复了这个实验。

罗切斯特大学的物理学家岩本康(Konosuke Iwamoto)表示，在ICHEP，这两种中微子的表现略有不同。

研究小组预测，如果物质和反物质的行为没有区别，他们将在探测器中发现24个电子中微子和7个电子反中微子——因为反物质更难产生和探测。

但是结果，他们发现了32个中微子和4个反中微子。“这表明物质和反物质的振荡方式不同，”纽约州立大学石溪分校的物理学家、T2K实验成员张记荣说。

然而，荣格也指出，尽管T2K和诺娃实验提供的初步结果都显示了相同的观点，但迄今为止的观察结果可能只是一个概率事件。如果中微子和反中微子行为相同，科学家也有1/20的机会(2西格玛)看到这样的结果。

因此，科学家需要更多的数据来验证这个信号。T2K实验将持续到2021年，届时它将获得超过5倍的数据，但研究团队将需要大约13倍的数据来将统计置信度提高到3σ。

为了收集更多必要的数据，T2K团队提议继续实验直到2025年。然而，与此同时，他们还计划通过与NOvA的合作加快数据收集。

诺娃的实验从费米国家实验室向810公里外的明尼苏达州北部的一个矿井发射了一束中微子，并将在2017年发射一束反中微子。荣格提到，两个团队已经同意共同分析数据。到2020年，获得的数据的统计置信水平预计将达到3西格玛。

然而，可能需要新一代的中微子实验来达到5西格玛的统计置信水平，这是宣布某些数据为“发现”所必需的。

无论如何，物理学家几乎每年都在中微子研究上取得各种突破，古韦阿说，“对于粒子物理学来说，这种变化非常快。”(张张)

《中国科学报》(2016-08-25，第三版国际版)

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