宇宙物质多于反物质 中微子或是背后推手

本报记者刘霞综合外国新闻

根据大爆炸理论和粒子物理理论，宇宙起源于大约137亿年前的大爆炸。在宇宙之初，能量被转化成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，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。

为什么宇宙现在充满了正物质而不是反物质？这是物理学中最大的谜团之一。英国杂志《自然》8月12日报道，在最近于美国芝加哥举行的第38届国际高能物理会议上，日本科学家给出了一个解释:中微子，亚原子粒子，在物质和反物质形式上表现不同。然而，他们也说需要收集更多的数据来证实这个解释。

谁是中微子

在粒子物理学中，标准模型是一套描述力、弱力和电磁力这三种基本力以及构成所有物质的基本粒子的理论。自20世纪70年代标准模型建立以来，它已经经受了很长时间的考验。但是在20世纪90年代，有一种粒子违反了它的规则，就是中微子。根据理论，中微子没有质量，但事实是，1998年，物理学家在日本的一个矿井中使用超级神冈德发现中微子有质量——尽管不到电子的十亿分之一。

参与美国费米国家加速器实验室的离轴中微子实验(NOVA)的物理学家基思·马特拉(Keith Matra)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，他们可能能够利用这种粒子作为突破，获得新的发现和解释。"它们是标准模型中的空白."

中微子有三种:电子中微子、μ子中微子和τ中微子。中微子不带电荷，质量很小。根据量子力学，不同的中微子可以相互转换，我们称之为中微子振荡。

正负中微子行为是不同的

在现在的宇宙中，物质显然比反物质多。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。一些科学家认为，超重的“亲戚”中微子可能是“幕后的”。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同样的不平衡，这可能解释了为什么物质不仅仅是反物质。

为了验证这一想法，从东海到新冈的日本中微子实验(T2K)的研究人员探索了物质和反物质中微子旅行时三种“味道”之间的差异。他们从东海海岸的质子加速器研究中心向295公里外的超级神冈德发射了一束μ子中微子(地铁里装满了5万吨水)。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，表明在整个旅程中，μ子中微子变成了另一个中微子。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·河野苏克在参加国际核聚变实验堆时表示，这两种中微子的表现略有不同。

研究小组认为，如果物质和反物质的行为没有区别，那么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实验成员蒋昌进说:“这表明物质和反物质以不同的方式振荡。”

需要更多的数据验证

尽管T2K和NovA实验提供的初步结果都显示了相同的观点，但迄今为止的观察可能只是一个概率事件。如果中微子和反中微子行为完全相同，科学家有二十分之一的机会(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，届时它将获得超过当前数据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——大多数物理学家愿意接受数据合理但不能完全确定的阈值。

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。目前，参与NovA实验的科学家已经从费米国家实验室向明尼苏达州北部810公里外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束。这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。

研究人员表示，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，目前正在世界范围内进行计划。

然而，这一发现引起了科学家们对物理学的“热门话题”——中微子——的兴趣，以便进行深入研究。他们认为这种无处不在且不稳定的粒子可能是解决许多物理之谜的“钥匙”。