中微子實驗第一個結果出爐！旨在回答：為什麼宇宙主要由物質構成

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】本周，包括麻省理工學院研究人員在內的國際物理學家小組報告了地下實驗的第一個結果，該實驗旨在回答物理學最基本的問題之一：為什麼我們的宇宙主要由物質構成？根據理論，大爆炸應該產生等量的物質和反物質——後者由「反粒子」組成，它們本質上是物質的鏡像，只與質子、電子、中子和其他粒子的電荷相反。然而我們生活在一個絕對物質的宇宙中，主要是由星系、恆星、行星和我們在我們周圍所看到的一切事物所構成——而且幾乎沒有反物質。物理學家認為，在大爆炸之後的第一個時刻，某些過程肯定會使天平偏向物質。一個這樣的理論過程涉及到中微子——一種粒子，儘管它幾乎沒有質量，與其他物質幾乎沒有相互作用，但它被認為滲透到宇宙中，每秒鐘都有數以萬億的幽靈般的粒子在我們的身體里無害地「流著」。

低溫恆溫器中安裝的19個CUORE塔的底視圖。圖片：CUORE Collaboration

中微子可能是它自己的反粒子，這意味著它可能有能力在物質和反物質之間進行轉換。如果是這樣的話，物理學家們相信這可能解釋了宇宙的不平衡，因為在大爆炸後產生的更重的中微子，會在不對稱的情況下衰變，產生更多的物質，而不是反物質本身。一種確認中微子是它自己的反粒子的方法是探測一種非常罕見的過程，稱為「中微子雙衰變」，在這種過程中，一種穩定的同位素，如碲或氙，會釋放某些粒子，包括電子和反中微子，因為它自然會衰變。如果中微子確實是它自己的反粒子，那麼根據物理學的規則，反中微子應該相互抵消，而這個衰變過程應該是「中性的」。這一過程的任何測量都只能記錄從同位素中逸出的電子。

這個名為CUORE的地下實驗是為罕見事件的低溫地下觀測站所設計的，目的是探測一種由988個碲化碲的自然衰變而產生的中性雙衰變。在本周發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)的一篇論文中，研究人員，包括麻省理工學院(MIT)的物理學家們，報告了CUORE收集的頭兩個月的數據(義大利語為「心」)。雖然他們還沒有發現泄密的過程，但他們已經能夠設定最嚴格的限制，如果存在的話，這一過程應該花費多少時間。根據他們的研究結果估計一個碲的單個原子應該經歷一個中微子的雙衰變。

考慮到實驗中988個晶體中大量的原子，研究人員預測，在未來的5年內，他們應該能夠檢測出至少5個正在經歷這個過程的原子，如果它存在的話，就能提供確鑿的證據，證明中微子是它自己的反粒子。麻省理工學院物理學的職業發展助理教授，也是該研究的負責人CUORE成員Lindley Winslow說：這是一個非常罕見的過程——如果觀察到，這將是迄今為止測量過的最慢的東西，最令人興奮的是我們能夠一起運行998個晶體，現在正在尋找一些東西。CUORE的合作包括大約150名主要來自義大利和美國的科學家。包括溫斯洛和麻省理工學院的一小隊博士後和研究生。

宇宙中最冷的立方體

在義大利中部的一座山深處，庫爾實驗被埋在地下深處，以保護它不受外界刺激的影響，比如來自宇宙的輻射源的持續轟擊。這個實驗的核心是一個由19個塔組成的探測器，每個塔包含52個立方體形狀的碲化硅晶體，總共有988個晶體，質量大約為742千克，即1600磅。科學家們估計這一數量的晶體包含了大約100個由碲同位素組成的大約100億個原子。電子和溫度感測器附著在每個晶體上，以監測它們衰變的跡象。整個探測器位於一個超舊的冰箱內，大約相當於一台自動售貨機的大小，它的溫度保持在6毫開爾文，即-459.6華氏度。研究人員之前曾計算過，這台冰箱是宇宙中最冷的立方米。

為了探測到一個碲原子的衰變所產生的溫度的微小變化，這個實驗需要保持非常的低溫。在正常的雙衰變過程中，碲原子釋放出兩個電子，以及兩個反中微子，它們以熱的形式產生一定的能量。如果是中性的雙衰變，兩個反中微子應該相互抵消，只有兩個電子釋放的能量才會產生。物理學家此前計算過，這種能量必須在2.5兆電子伏特(Mev)左右。在庫雷手術的頭兩個月里，科學家們基本上一直在測量988個碲晶體的溫度，尋找在2.5 Mev標記周圍的任何微小的能量峰值。

研究低溫恆溫器的研究人員，圖片：CUORE Collaboration

庫雷就像一個巨大的溫度計，當你看到晶體上的熱沉澱時，就會看到一個可以數字化的脈衝。然後看一下這些脈衝，脈衝的高度和寬度對應著能量的大小。然後放大數出有多少事件在2.5兆，我們基本上什麼也沒看到。這可能很好，因為我們在頭兩個月的數據中沒有看到任何東西。結果或多或少地表明，在CUORE迄今為止所操作的短窗口內，探測器上的1000億個碲原子中，沒有一個經歷了中微子的雙衰變。從統計學上來說，這意味著如果一個原子實際上是它自己的反粒子，一個原子要經歷這個過程至少需要10年或者數年。

溫斯洛說：對於碲化碲來說，這是我們所獲得的這一過程生命周期的最佳極限。CUORE將繼續監測未來5年的晶體，研究人員正在設計實驗的下一代，他們稱之為CUPID-a探測器，將在更多的原子中尋找同樣的過程。在科學家們得出最終結論之前，還有一個更大的迭代是可能的。如果我們在10到15年內看不到它，除非大自然選擇了非常怪異的東西，中微子很可能不是它自己的反粒子，。粒子物理學告訴你，對於中微子來說，還有更多的迴旋餘地，它仍然是它自己的反粒子，而你卻沒有看到它。沒有那麼多地方可以隱藏。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

作者：物理評論快報

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：麻省理工學院

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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