技术人员在超级神冈探测器内工作

在超级神冈中微子探测器内部，探测器正在工作。图源:神冈天文台，ICRR，东京大学

核武器物理学家克莱德·考恩(Clyde Cowan)和弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)认为中微子是“人类所设想的最小的物质现实”[sic]。

这是一篇评论1为自然1956年发表，几个月后他们发表了一篇论文科学2报道中微子的实验发现。这些亚原子粒子缺乏电荷，很难被探测到，因为它们与其他形式的物质几乎没有相互作用。他们想知道中微子和它们的对应物——反中微子之间的关系。事后看来，这是一个相当重要的问题。

在本周的自然在美国，研究人员直接追随Cowan和Reines的脚步，提出中微子和反中微子之间的差异可能有助于解释宇宙最大的谜团之一3.。

大约138亿年前，在宇宙大爆炸的时候，早期宇宙中的每一个物质粒子都应该是与一种叫做反物质的对应物质一起产生的。反物质与物质完全相同，但具有一些相反的物理性质，例如电荷。至少，目前的理论是这样认为的。

对于物理学家来说，最大的谜团是为什么在当前的宇宙中，物质似乎比反物质多得多。然而，如果两者的数量相等，每个粒子就会在能量的火焰中相互抵消，使宇宙充满光子和暗物质。

考恩和莱因斯发现中微子十年后，俄罗斯物理学家和人权活动家安德烈·萨哈罗夫提出了一种机制，解释物质和反物质之间的平衡(或称对称性)是如何被打破的。萨哈罗夫提出的原因之一是它们的对称性并不完美，而且每一个都表现出略微不同的性质。这种差异可能导致了在大爆炸后不久发生的冷却过程中物质过剩。

但是萨哈罗夫是对的吗?由数百名物理学家组成的国际合作组织进行的一项名为“Tokai to Kamioka”(T2K)的粒子物理实验现在提供了他可能曾经存在的线索。

在T2K实验中，中微子是在日本东海的日本质子加速器研究中心(J-PARC)产生的。从那里，它们在地下发射，并行进295公里，到达西海岸的一个名为超级神冈的中微子天文台。天文台的中心是一个巨大的水箱，上面排列着数千个探测器，准备捕捉中微子与水相互作用时发出的光。由于中微子相互作用的几率极小，这类实验需要数年时间才能收集到足够的数据，让科学家得出有意义的结论。T2K花了10年时间才从10个左右检测到90个中微子和15个反中微子20.J-PARC潜在产生中微子的碰撞。

利用这些数据，T2K合作测量了中微子在旅途中在物理学家称之为“味道”的不同物理性质之间振荡的概率。然后，研究小组对反中微子进行了同样的实验，并比较了这些数字。如果物质和反物质是完全对称的，那么概率应该是相同的。

然而，研究结果表明事实并非如此。T2K检测到中微子在300公里的旅程中改变味道的可能性更高，而反中微子的概率相应较低，这与它们表现相同时的预期相比。

信任但要核实

这样的发现，如果能够得到证实，将为萨哈罗夫1967年的解释增添份量，即物质和反物质具有不同的性质4。但有一个警告:目前的发现不满足所要求的信心水平——被称为5σ (5σ)——粒子物理学家通常会要求将结果视为一项发现。目前的T2K结果处于3σ水平的统计显著性-如果完全排除物质-反物质对称，这将下降到2σ。

即便如此，在研究进展中发表这样的基础工作是很重要的。粒子物理实验的计划和建立可能需要几十年的时间，因此尚未达到5σ显著性的结果在告知社区未来投资决策方面具有至关重要的作用。

研究人员本可以等更长的时间。但即使他们做到了，T2K实验也不太可能提供跨越5σ终点线所需的额外数据。为了达到5σ，物理学家将需要下一代中微子探测器的结果。幸运的是，有三个这样的探测器即将投入使用:位于超级神冈附近的超级神冈探测器，预计将于2027年启动;美国的DUNE计划将于2025年启动;中国的JUNO，计划在2022年成为三个探测器中第一个投入使用的。

时间会证明这些初步观察结果是否成立。但在高能物理领域的大量投资受到越来越多的审查这一结果强调了继续寻找宇宙最深层奥秘答案的重要性。