在日本一座山的地下洞穴里,有一个巨大的水箱,多年来一直很平静。通常什么都不会发生。
不过,每隔一段时间,就会有一圈光在容器边缘闪烁——这是电子或类似但更重的粒子(介子)通过水的信号。这些电子和介子是被称为中微子的微小、幽灵般的粒子的残余物,它们以一种罕见的相互作用撞击到水箱的水分子中。
多年来,T2K项目的物理学家们一直在计算这些光环的数量,这是唯一一个强大的中微子束穿过地壳从183英里(295公里)外的另一个地下设施射入洞穴的迹象。当T2K的物理学家计算环的数目时,198彩票平台开了几年,
198彩带玩团队如何登陆,他们从模糊的环中分离出清晰定义的环,这些环是由水中充电的较重的介子产生的,而模糊的环是轻量电子的特征。
随着时间的推移,物理学家们注意到他们的计算结果有出入。他们相信,这种差异有助于解释宇宙中物质的存在。
物质和反物质应该互为镜像,但它们不是
就在大爆炸之后,宇宙中存在着等量的物质和反物质,这两种物质互为镜像,一旦接触就会相互毁灭。氢的反物质孪生兄弟是反氢。电子的反物质孪生体是带正电荷的正电子。介子有反子,中微子有反中微子,等等。
反物质和物质是如此相似,事实上,它们为什么没有在一开始就简单地相互抵消,只留下一束明亮的光,这是一个谜。这表明,这些粒子之间一定存在一些基本的差异,不对称性可以解释为什么物质会主导反物质。我们已经发现了其中一个不对称。
“其中之一是夸克,即构成质子和中子的粒子,”匹兹堡大学(University of Pittsburgh)物理学家、T2K合作项目成员马克·哈茨(Mark Hartz)说。
早在1964年,物理学家就发现了夸克和反夸克之间的细微差别。反夸克是构成质子、中子和其他粒子的亚原子粒子,它们通过弱力相互作用。但是夸克不对称性太微小,不足以解释宇宙的存在。肯定还有其他不一致的地方。
没有参与T2K合作的英国杜伦大学物理学家西尔维娅·帕斯克里(Silvia Pascoli)说,还有一种关于另一种差异的理论,涉及一种名为“轻子”的粒子。
轻子是像中微子、介子和电子这样的粒子。她告诉《生活科学》,如果在轻子和反物质之间存在不对称性,随着时间的推移,不仅会导致物质轻子过剩,还会导致物质重子过剩——这类粒子构成了一个原子的大部分质量。
T2K合作项目研究了这个水池,寻找轻子不对称性的证据,物理学家认为,当中微子从一种口味“振荡”到另一种口味时,轻子不对称性就会显现出来。
中微子可能是关键
中微子有三种类型:电子、介子和中微子。每种口味都有自己的反中微子。所有这些粒子——中微子和反中微子——都在振荡,这意味着它们会从一种味道变成另一种味道。一个介子中微子可以变成一个中微子或一个电子中微子。一个反中微子可以振荡成tau或电子反中微子
然而,这些振荡需要时间。这就是为什么T2K的合作把他们的中微子束发生器和他们的水箱——被称为超级神冈探测器——隔开了几百英里。这就给了中微子束产生的时间,当它们振动成电子中微子时——这就是协同研究的振荡。
即使在这种情况下,电子中微子也很难被探测到。通过超级神冈德的电子中微子很少会撞上水分子,并以其特有的微弱模糊的光环转变成电子。
尽管如此,Hartz说,经过多年的努力,在一次又一次的短时间爆发中发射他们的中微子束,超级神冈德的水下光子探测器现在已经看到了中微子和反中微子模式中的数百次振荡,足以得出一些真正的结论。
在今天(4月15日)发表在《自然》杂志上的一篇论文中,他们的合作报告了中微子和反中微子光束之间有95%的偏差,这是物质-反物质不对称部分来自中微子的有力证据。
哈茨说,这里的信息是有限的。所有这些合作直接测量的是微弱、低能中微子行为之间的不对称性。他说,为了完全理解这种不对称性以及它可能如何塑造宇宙,理论家们将不得不利用他们的数据,将其外推到高能中微子上,并理解它对其他轻子的影响。
至于T2K的合作,他说,下一步是收集更多的数据,使他们的结果的可信度提高到95%以上。另外,在这个日本洞穴中建造一个更大的“超级神冈德”的相关努力,以及一个基于美国的被称为“深地下中微子实验”(DUNE)的相关物理实验,也可能会加快研究的步伐。
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