超级神冈探测器捕捉到了什么？小小中微子是否能解释整个宇宙？
简介：物质与反物质 ， 或许正是因为不对称 ， 才导致现在物质主宰世界 。 那寻找这种不对称性的方法有哪些 ， 能怎么做呢？日本一个山洞里的巨大水池 ， 或许可以提供一些启发 。
研究人员可能发现了存在于物理学某处的一种不对称性 。
文章图片
超级神冈探测器（SuperKamiokande）内的一艘划艇上 ， 两名研究人员正在探测中微子撞击水分子的过程 。 （图片来源：T2KCollaboration）
在日本的一座山下面的山洞里 ， 有个巨大的水池 ， 它已经静止了很多年 ， 通常情况下什么都不会发生 。
不过 ， 每隔一段时间 ， 水箱的边缘就会有一个光环闪烁——这是一个电子或类似的、但更重的粒子（称为μ子）通过水中的信号 。 中微子是一种微小的、幽灵般的粒子 ， 在一种罕见的相互作用下 ， 它撞向水箱中的水分子 ， 电子和μ子是它们撞击后的残余物 。
文章图片
超级神冈是世界上最大的中微子探测器 ， 位于1000米（3300英尺）深的地下 ， 位于日本静田神冈地区的莫祖米锌矿 。 （图片来源：messynessychic）
多年来 ， T2K（T2K是一个粒子物理学实验 ， 为国际合作项目）的物理学家们一直在对这些光环进行计数 ， 这些光环是一束强大的中微子束从183英里（295公里）外的另一个地下设施射入洞穴的唯一迹象 。 当T2K的物理学家计算这些环的数量时 ， 他们将清晰的光环（通过水中充电的较重的μ子所产生）从模糊的光环（较轻的电子所产生的）中分离出来 。
文章图片
超级神冈探测器的圆顶水箱中有50000加仑的超纯蒸馏水 ， 13000个光电倍增管探测器（PMT）覆盖在它的墙壁上 。 （图片来源：messynessychic）
随着时间的推移 ， 物理学家们注意到他们的计数有出入 。 他们认为 ， 这种差异有助于解释宇宙中物质的存在 。
物质和反物质本应互为镜像 ， 但它们并没有
大爆炸之后 ， 宇宙中存在着等量的物质和反物质 ， 这两种物质互成镜像 ， 一旦接触就会相互毁灭 。 氢的反物质孪晶是反氢 ， 电子的反物质孪晶是带正电的正电子 ， 介子有反子而中微子有反中微子等等 。
文章图片
反物质是指具有与正常亚原子粒子相反性质的亚原子粒子 。 （图片来源：Nuclear-power）
反物质和物质很相似 ， 事实上 ， 这里一直存在着一个未解之谜——为什么它们一开始并没有简单地相互抵消 ， 只留下一道亮光 。 这表明 ， 粒子之间一定存在一些根本性的差异 ， 这种不对称性可以解释为什么物质会主宰反物质 。 我们已经发现了其中的一种不对称性 。
【超级神冈探测器捕捉到了什么？小小中微子是否能解释整个宇宙？】
文章图片
（图片来源：Quora）
匹兹堡大学（UniversityofPittsburgh）物理学家、T2K合作组织成员马克·哈茨（MarkHartz）说：“其中一种（不对称性）存在于在夸克中 ， 夸克是构成质子和中子的粒子 。 ”
早在1964年 ， 物理学家就发现了构成质子、中子和其他粒子的亚原子粒子——夸克和反夸克的弱力相互作用之间的细微差别（弱力、强力、电磁力和重力是四种基本力） 。 但是夸克的不对称性太弱 ， 无法解释宇宙的存在 ， 一定还有别的不符之处 。
文章图片
六种类型的夸克及其对应的反夸克 ， 不同色荷也有其对应的反色荷（图片来源：LEGO）
未参与T2K合作项目的英国达勒姆大学（DurhamUniversity）物理学家西尔维娅·帕科利（SilviaPascoli）说 ， 还有一些关于另一种差异的理论 ， 涉及一种叫做轻子的粒子 。
轻子是像中微子、介子和电子这样的粒子 。 她告诉《生活科学》 ， 如果轻子和其反物质对应物之间存在不对称性 ， 那么随着时间的推移 ， 不仅仅是物质轻子 ， 构成原子大部分质量的物质重子的也会过剩 。
文章图片
中微子是一种难以捉摸的亚原子粒子 。 在宇宙的四种基本力中 ， 中微子只与两种力相互作用——引力和弱力 ， 这两种力导致了原子的放射性衰变 。 中微子几乎没有质量 ， 以接近光速在宇宙中穿梭 。 （图片来源：Shutterstock）
T2K合作组织对这个水箱里的水进行了研究 ， 试图寻找轻子不对称性的证据 ， 物理学家认为 ， 当中微子从一种类型“振荡”到另一种类型时 ， 轻子不对称性就会变得可见 。
中微子可能成为关键所在
中微子有三种类型：电子、μ子和τ子 。 每种类型都有自己的反中微子 。 所有这些粒子——中微子和反中微子——都会振荡 ， 这意味着它们会从一种类型转变到另一种类型 。 μ子中微子可以变成τ子中微子或电子中微子 ， μ子反中微子可以振荡成τ子反中微子或电子反中微子 。
文章图片
文章图片
中微子有三种类型：电子中微子（ElectronNeutrino）、μ子中微子（MuonNeutrino）和τ中微子（TauNeutrino） ， 这些分类被称为中微子的“味”（Flavor） 。 中微子也按“质量”（Mass）分类 ， 中微子1、中微子2和中微子3的质量分别为：m1、m2和m3 。 味和质量的分类是相互混合的 ， 味本征态和质量本征态不能同时确定 。 举例来说 ， 电子中微子是中微子1、中微子2和中微子3的混合态 。 （图片来源：Super-Kamiokande,ICRR,UniversityofTokyo）
然而 ， 这些振荡需要时间 。 这就是为什么T2K合作组织将中微子束发生器和水箱（超级神冈探测器）分别置于相隔数百英里的两个地方 。 这给了μ子中微子束振荡成电子中微子的时间 ， 这正是T2K所要研究的振荡过程 。
文章图片
中微子具有粒子和波的性质 ， 因此 ， 中微子1、中微子2和中微子3各自具有不同的质量本征态 ， 它们作为具有不同频率的波在空间中传播 。 中微子的味道被确定为质量本征态的叠加 。 味的类型是振荡的 ， 因为波的相位是变化的 。 这种现象叫做中微子振荡 。 （图片来源：Super-Kamiokande,ICRR,UniversityofTokyo）
即使这样 ， 电子中微子也很难被探测到 。 只有极少数电子中微子通过超级神冈探测器撞击到水分子中 ， 变成一个具有微弱模糊光环特征的电子 。
尽管如此 ， 哈茨说 ， 经过多年的努力 ， 他们的中微子束从一个又一个短脉冲中被发射出来 ， 超级神冈探测器的水下光子探测器现在已经在它的中微子和反中微子模式下看到了数百次振荡 ， 这足以得出一些真实的结论 。
文章图片
超级神冈的水箱里遍布着一种叫做“光电倍增管”的探测器 。 当中微子与水中的一个原子碰撞产生一个电子时 ， 物理学家可以追踪电子的路径 ， 精确定位中微子的源（无论是垂死的恒星、灾难性的宇宙事件 ， 还是我们的太阳）的位置 。 （图片来源：KamiokaObservatory,ICRR,UniversityofTokyo）
发表在《自然》杂志上的一篇论文中 ， T2K合作组织以95%的置信度报告了中微子和反中微子束之间的差异——有力的证据表明 ， 物质与反物质不对称性的一部分来自中微子 。
哈茨说 ， 这里的信息有限 。 T2K直接测量到的只是微弱低能中微子行为之间的不对称性 ， 要完全理解这种不对称性以及它可能是如何塑造宇宙的 ， 理论学家们将不得不把他们的数据外推到高能中微子上 ， 并理解它对其他轻子的影响 。
文章图片
超级神冈探测器“观察”到的电子中微子 。 （图片来源：T2K）
他说 ， 对于T2K ， 下一步是收集更多的数据 ， 使他们的研究成果置信度提高到95%以上 。 另外 ， 日本建造一个更大的“超级神冈探测器”的相关项目 ， 以及美国的一个相关物理实验——深地下中微子实验（DeepUndergroundNeutrinoExperiment ， 简称DUNE沙丘） ， 也可能加快研究步伐 。
文章图片
沙丘是由来自30个国家160多个机构的1000名科学家和工程师组成的团队构思、设计和建造的 ， 这是中微子科学的前沿实验 ， 包括中微子振荡和CP破坏以及质子衰变研究 。 这个实验 ， 连同支持它的设施（称为长基线中微子设施） ， 是一个国际设计、协调和资助的项目 ， 将在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室（费米实验室）主持 。 （图片来源：Msutoday）
但这一结果已经让我们看到了崭新大门开启的第一束光 ， 这可能有助于从时间之源解释这种不对称性 。
作者：RafiLetzter
FY：胖头鱼
如有相关内容侵权 ， 请于三十日以内联系作者删除
转载还请取得授权 ， 并注意保持完整性和注明出处
推荐阅读
- 科学探索|光电探测器量子效率突破理论极限
- 王一博追星成功，收到瓦伦蒂诺·罗西签名照，超级迷弟圆梦
- 漫威|10个漫威反派合体变啥样？网友：超级灭霸！
- 超级计算机|他们搬动了百万行代码“大山”
- iQOO 5系列正式发布：120Hz屏幕+120W超级快充，宝马定制版亮眼 | 小米10至尊版稳了？
- 电音|超级秀晚会现场：群星演唱自带电音，打光诡异毛晓彤秒变180斤
- |苏宁易购818战报：超1.4亿人次围观7小时超级秀
- 美国发射的帕克太阳探测器，为什么不怕热？技术实在太牛
- 马里奥|超级玛丽主机来了！神人组装“马里奥主机”重现游戏经典场景
- 铁柱看西游|梦幻西游：精锐新晋物理系超级神豪，全号堪称行走的“劳斯莱斯”