Nature封面「撼動宇宙的粒子」證明宇稱不守恆或揭開宇宙最大謎團

什麼是中微子？用發現者核物理學家Clyde Cowan的原話講，中微子是人類所能設想到的最微小的物質：質量輕微、不帶電、自旋為1/2，是構成物質世界的基本單元。

“撼動宇宙的粒子”中微子，旋轉跳躍不停歇

中微子被稱為“撼動宇宙的小粒子”。

無處不在卻又神秘莫測，容易創造卻難以捕捉。它們從太陽和恆星的核反應中噴湧而出，並以每秒萬億的速度穿越我們周遭的世界。

物理學家認為在混沌初開，大爆炸後一秒鐘，宇宙迅速的膨脹，中微子再也無法同有電磁力、強力作用的粒子相撞，中微子同時也停止了和其他粒子的弱作用力，成為宇宙中獨自飄蕩的旅人。

從此，中微子看盡宇宙中星球的誕生與毀滅、文明的興盛與衰敗，看透永恆與無常。

中微子還有個映象雙胞胎叫反中微子。

在本週的《自然》雜誌上，研究人員追隨Cowan的腳步，認為中微子和反中微子之間的行為差異，或者說不對稱性，可能有助於解釋宇宙中最大的謎團之一，物質為何多於反物質。

這種不對稱性似乎就解釋了為什麼宇宙大爆炸期間，物質比反物質多出那麼多，也就進一步解釋了今天我們世間萬物的存在。正反物質相遇時，雙方就會彼此湮滅。如果正反相互抵消，那麼當初留給我們茫茫宇宙的就只剩下光子和暗物質。人類也當然不曾存在。世間枯榮，在此一瞬。

T2K實驗證明宇稱不守恆

新研究主要歸功於日本的T2K粒子物理實驗室，T2K意思是日本的東海（Tokai）到神岡（Kamioka），這是一個國際粒子物理合作專案，由數百名物理學家組成。早在2016年，T2K 團隊開始看到中微子和反中微子行為不對稱的跡象。經過多年的資料收集和分析，他們的最新證據也越來越詳實。

T2K實驗室發言人，日內瓦大學的 Federico Sanchez Nieto在《自然》雜誌上報道了最新的實驗結果。他說： “我很興奮，因為這是我們第一次有了可靠的證據。”

自20世紀90年代以來，實驗發現表明，中微子有三種“味”，分別為電子e、渺子μ和陶子τ中微子。這裡說的“味”不是味覺的“味”，而是基礎粒子的一種屬性。任何一味的中微子都會隨著時間變化而“變味”，也就是振盪。

自2010年以來，T2K 的科學家們一直在製造高密度的μ介子中微子和反中微子束，並將它們傳送到295公里外的超級神岡探測器中微子觀測站，那裡有一個地下裝有50000噸純水的大水箱，還裝著感測器。

中微子到達時，會與水箱內的原子相互作用，輻射指示器會發出閃光。科學家們努力想看看，這些中微子和反中微子在它們的“越野旅行”中是否會發生振盪，從 渺子μ 變成了電子e。而一直到2013年7月19日都沒有沒有觀察到振盪跡象。

但最新的資料表明，中微子比反中微子有更高的振盪機率，這種區別可以用宇稱不守恆來表示。宇稱不守恆，是粒子物理學中的一個術語。它說明在一個物理過程中的宇稱對稱被破壞了。

實驗中，如果宇稱守恆，則表明中微子和反中微子行為相同，按道理實驗將會檢測到大約68個電子中微子和20個電子反中微子。

但事實是，實驗中發現了90個電子中微子和只有15個電子反中微子，這種中微子和反中微子高度不均等的結果證明，宇稱不守恆很可能不僅僅是理論

。

研究人員表示，“我們點燃了第一根蠟燭，但是終極大獎——對宇稱不守恆的最終發現——還沒有到來。”

美國的 NOvA 實驗也在檢測中微子振盪，用來發現宇稱不守恆。但即使把T2K實驗室和NOvA的結果加起來，也不能證明結論的完全準確。

未來，美國將於2027年開展一個更大規模的實驗，名為 DUNE。T2K 的後續實驗叫做 T2HK，應該能夠進一步測量到精準的宇稱不守恆。

宇稱不守恆，點燃宇宙物質產生的微光，也許來自超大物質衰變

一直以來人類都堅定的認為宇宙是對稱且守恆的：有左就應該有右，有正就應該有負，有死就應該有生。大到故宮的設計、小到普通的鞋子，都能看到對稱的影子。

然而在1956年，兩位華人物理學家楊振寧和李政道卻提出了震動整個科學界的理論：宇稱不守恆，又稱CP破壞或CP不守恆。

他們認為，θ-τ之謎所帶來的宇稱不守恆問題不是一個孤立事件，宇稱不守恆很可能就是一個普遍性的基礎科學原理。

同時他們發現，在強相互作用領域，宇稱守恆定律確有嚴格證明，可是在弱作用領域中，雖然宇稱守恆這假設被廣泛應用，但是事實上宇稱守恆定律從未得到過真正的實驗驗證。

之後，美籍華裔物理學家吳健雄和美國國家標準局科學家安伯勒等合作，用簡潔明瞭的實驗驗證了弱相互作用中宇稱不守恆的猜想。

該理論推翻了物理學界30年來信仰的“宇稱守恆定律”。由於宇稱不守恆定律的重大突破性太過明顯，諾貝爾獎評委毫不猶豫的在來年的評選中，直接向兩位物理學家頒發了諾貝爾物理學獎。

中微子間的宇稱不守恆解釋了宇宙早期物質是如何誕生的。

這一理論涉及到中微子的另一個顯著特性： 它們都是“左撇子”，也就是說那些向你飛奔而來的中微子看起來總是順時針飛速旋轉。而所有的反中微子都是右撇子，逆時針方向旋轉。

對此，專家們還提出了一個“蹺蹺板”理論：中微子和反中微子曾經也質量很大，而且旋轉方式不同。

這些超大質量粒子很可能在炎熱高能的宇宙早期形成，並且在那個宇宙時期迅速衰變為質量更輕的粒子

。而就在衰變的過程中，發生了不對稱，產生了多餘的物質，也就衍生出了今天的宇宙和世間萬物。

與此同時，又出現了另外一個問題： 那些超重的中微子和反中微子，究竟是如何衰變的呢。物理學家正在尋找一種極其罕見的核衰變來解釋。但是到目前為止還沒有進展。

諾貝爾獎生產機，宇宙中孤獨的遊魂

1930年，奧地利物理學家泡利提出了中微子假說，認為這種粒子靜止質量為零、電中性，穿透性極強，可以輕鬆穿越地球，速度接近光速。

但這種粒子物質的相互作用又極其微弱，很難探測到。這樣的物質簡直太讓人著迷了！幾十年來物理學家們一直嘗試用各種方法去探測，甚至捕獲它，使得中微子研究領域碩果累累，僅因為中微子而誕生的諾貝爾獎就有6次，堪稱諾貝爾獎生產機。

1956年，美國人萊因斯和柯萬首次在實驗中直接觀測到中微子，獲得1995年諾貝爾獎。

1962年，美國人萊德曼，舒瓦茨，和斯坦伯格利用布魯克海汶實驗室的15GeV質子加速器AGS，建立了世界上第一條中微子束流。發現第二種中微子——μ中微子，獲1988年諾貝爾獎。

1968年，美國戴維斯首次探測到太陽中的中微子，獲2002年諾貝爾獎。

1987年，神岡實驗與美國IMB實驗首次探測到超新星中微子，小柴昌俊和戴維斯分享2002年諾貝爾獎。

1998年，日本超級神崗器發現中微子振盪現象，梶田隆章獲2015年諾貝爾獎，該發現證明了中微子質量不為零。

2001年，加拿大SNO實驗證實失蹤的太陽中微子轉換成了其它中微子，阿瑟·麥克唐納獲2015年諾貝爾獎。

參考連結：

https：//www。quantamagazine。org/neutrino-evidence-could-explain-matter-antimatter-asymmetry-20200415/

https：//nature。com/articles/s41586-020-2177-0

http：//www。ihep。cas。cn/kxcb/khsl/201708/t20170821_4850460。html