10年之後我們就能解答正物質和反物質之謎？

「CUORE」實驗試圖找到正反物質的核心問題

安裝在低溫恆溫器中的19個CUORE塔旨在幫助解釋為什麼宇宙主要由物質構成

在義大利中部Gran Sasso山的深處，在近一英里的堅固岩石下，CUORE（稀有事件的低溫地下天文台和義大利語的「心臟」）實驗正在進行中，以幫助我們理解天體物理學的一個未解答的問題之一：為什麼圍繞著我們的宇宙充滿了物質，可是物理學預言表明它由同樣多的物質和反物質組成？

對於每個原子粒子，都存在一個質量相同但電荷相反的互補粒子：例如，電子和正電子，質子和反質子，中子和反中子就是這種情況。對於每對粒子，其中一個被指定為常規物質，另一個被指定為反物質（一個例外是Majorana費米子，無電荷粒子 - 如光子），作為它們自己的反粒子。

天體物理學告訴我們，宇宙大爆炸應該產生相等數量的物質和反物質，但顯然並非如此。造成這種不平衡的原因仍然是一個謎，但可能存在於中微子的性質，一個幾乎無質量的亞原子粒子，就像光子一樣，可能是它自己的反粒子。如果中微子確實是馬約拉納費米子，它們可能在早期宇宙中不對稱衰減，並且使我們今天看到的物質優於反物質。

今年1月，來自義大利和美國的150位科學家組成的團隊開始了CUORE項目，這是一項為期五年的實驗，旨在確定中微子是否確實是自己的反粒子。

CUORE試圖通過檢測一種非常罕見的事件「中微子雙β衰變」來實現這一點。隨著時間的推移，兩顆中微子自然衰變成兩個質子，兩個電子和兩顆反中微子; 然而，如果中微子是他們自己的反粒子，那麼偶爾兩個反中微子會在「無中微子衰變」中相互抵消。

中微子衰變可以在諸如碲之類的材料中觀察到，但無中微子衰變是罕見的事件，以至於它在碲原子中僅發生一次（幾億億年）一次; 即使如此，衰變的特徵也很難被發現，因為它包含的能量只有2.4 MeV - 小於千分之一焦耳的十億分之一。

因此，CUORE實驗儘可能遠離所有干擾，位於實體岩石近一英里的實驗室內，科學家們已經計算出「宇宙中最冷的立方米」，一台冰箱式設備將其內飾冷卻到絕對零度以上僅七千度。在冷藏區域內，非常小心地監測988個二氧化碲晶體（總共約100個碲化碲原子），以尋找表示無中微子衰減的微小溫度尖峰。

實驗兩個月後，科學家們報告說他們還沒有發現這樣的事件，因此他們得出結論認為事件在單個碲原子中最多每10年就會自然發生一次。

研究人員預測，他們應該能夠在未來五年觀察到至少五次無中微子衰變，這一發現不僅證實中微子是他們自己的反粒子，而且也違反了標準模型的輕子數守恆定律。

如果實驗沒有檢測到所需的事件，實驗的下一代稱為CUPID，將通過監測更多的原子來取代它的位置; 如果第二次實驗失敗，最後一次迭代可能會提供問題的最終答案。

「如果我們在10到15年內看不到它，那麼，除非大自然選擇了一些非常奇怪的東西，否則中微子很可能不是它自己的反粒子，」CUORE團隊成員林德利溫斯洛說。「粒子物理學告訴你，中微子仍然是自己的反粒子，並且你沒有看到它，沒有太多的擺動空間，沒有太多的地方可以隱藏。」

本周在「 物理評論快報 」雜誌上發表了一篇詳細介紹這項研究的文章 。

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