行为不端的中微子能解释宇宙存在的原因吗-

作者: admin 分类: 科技 发布时间: 2019-03-16 16:07

科学家们热衷于探索奥秘,而奥秘越大,人们的热情就越大。科学中有许多悬而未决的大问题,但当你想要做大的时候,“为什么会有东西,而不是什么都没有?”

这似乎是一个哲学问题,但却是一个非常适合科学探究的问题。更具体地说,“为什么宇宙是由使人类生命成为可能的物质构成的,我们甚至可以问这个问题?”在日本进行研究的科学家上个月宣布了一项测量结果,直接解决了这个最令人着迷的问题。他们的测量结果似乎与当前理论最简单的预期不符,很可能指向这个永恒问题的答案。

他们的测量似乎表明,对于一组特定的亚原子粒子,物质和反物质的作用是不同的。

物质与反物质

利用位于日本东海的J-PARC加速器,科学家们发射了一束幽灵般的亚原子粒子,称为中微子和反物质粒子(反中微子),穿过地球到达同样位于日本神冈的超级神冈德实验。这个实验被称为T2K (Tokai to Kamiokande),旨在确定为什么我们的宇宙是由物质构成的。中微子所表现出的一种被称为中微子振荡的奇特行为,可能会为这个非常棘手的问题提供一些线索。

问为什么宇宙是由物质构成的听起来可能是个奇怪的问题,但科学家对此感到惊讶是有充分理由的。这是因为,除了知道物质的存在,科学家还知道反物质。

1928年,英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)提出了反物质的存在,反物质是物质的对立兄弟。把等量的物质和反物质结合起来,两者就会相互湮灭,从而释放出巨大的能量。而且,由于物理学原理通常反过来也同样有效,如果你有大量的能量,它可以转化成等量的物质和反物质。反物质是1932年由美国人卡尔·安德森发现的,研究人员花了近一个世纪的时间来研究它的性质。

然而,“完全等量”这句话是这个难题的症结所在。在大爆炸之后的瞬间,宇宙充满了能量。当它膨胀和冷却时,能量应该转化为等量的物质和反物质亚原子粒子,这在今天应该是可以观测到的。然而我们的宇宙本质上完全由物质组成。怎么会这样呢?

通过计算宇宙中原子的数量,并将其与我们所看到的能量进行比较,科学家们断定“完全相等”并不十分正确。不知何故,当宇宙大约是万亿分之一秒的时候,自然法则就非常轻微地向物质的方向倾斜。每30亿个反物质粒子对应着300万个物质粒子。30亿个物质粒子和30亿个反物质粒子结合在一起,湮灭后又重新转化为能量,剩下的少量物质就构成了我们今天看到的宇宙。

自从这个谜题在近一个世纪前被解开以来,研究人员一直在研究物质和反物质,看看他们能否在亚原子粒子中发现可以解释物质过剩的行为。他们确信物质和反物质的质量是相同的,但他们也观察到,一种被称为夸克的亚原子粒子表现出略优于反物质的行为。这个特别的测量很微妙,涉及到一类叫做K介子的粒子,它可以从物质转化为反物质,然后再转化回来。但在物质转化为反物质的过程中,与之相反的情况略有不同。这一现象是出乎意料的,它的发现导致了1980年的诺贝尔奖,但其影响的大小不足以解释为什么物质在我们的宇宙中占主导地位。

可怕的光束

因此,科学家们将注意力转向中微子,看看它们的行为能否解释过量的物质。中微子是亚原子世界的幽灵。它们只能通过弱核力相互作用,几乎不需要相互作用就能穿过物质。为了给人一种尺度感,中微子通常是在核反应中产生的,而太阳是周围最大的核反应堆。为了保护自己免受一半的太阳中微子的伤害,需要一个大约5光年深的固体铅块。中微子的相互作用并不多。

在1998年到2001年间,一系列的实验——一个使用超级神冈探测器,另一个使用安大略省萨德伯里的SNO探测器——明确地证明了中微子也表现出另一种令人惊讶的行为。他们改变了自己的身份。

物理学家知道有三种不同的中微子,每一种都与一种叫做电子、介子和tau的独特的亚原子兄弟有关。电子是产生电的原因,介子和tau粒子很像电子,但更重,不稳定。

这三种中微子被称为电子中微子、介子中微子和中微子,它们可以“变形”成其他类型的中微子,然后再回来。这种行为被称为中微子振荡。

中微子振荡是一种独特的量子现象,但它大致类似于从一碗香草冰淇淋开始,然后你去找一个勺子,回来发现碗里一半是香草,一半是巧克力。中微子改变了它们的身份,从完全是一种类型,到混合的类型,到完全不同的类型,然后回到原来的类型。

反中微子振荡

中微子是物质粒子,但是反物质中微子,也被称为反中微子,也存在。这就引出了一个非常重要的问题。中微子振荡,但是反中微子也振荡吗它们振荡的方式和中微子完全一样吗?第一个问题的答案是肯定的,而第二个问题的答案是未知的。

让我们以一种更简单的方式更全面地考虑这个问题:假设只有两种中微子类型——介子和电子。进一步假设你有一束纯介子型中微子。中微子以特定的速度振荡,由于它们以接近光速的速度运动,它们的振荡与产生中微子的地方的距离有关。因此,一束纯介子中微子在一定距离上看起来是介子和电子类型的混合,然后在另一距离上是纯电子类型,然后回到纯介子。反物质中微子也做同样的事情。

然而,如果物质和反物质中微子振荡以稍微不同的利率,你认为如果你是一个固定的点的距离一束纯μ子中微子或子反中微子被创建,然后在中微子的情况下你会看到一个μ介子和电子中微子,但在反物质中微子的情况下,你会看到一个不同的混合反物质μ介子和电子中微子。实际情况是复杂的,因为中微子有三种,振荡依赖于束流能量,但这些是大的想法。

中微子和反中微子对不同振荡频率的观测将是理解宇宙由物质构成这一事实的重要一步。这并不是整个故事的全部,因为额外的新现象也必须成立,但物质和反物质中微子之间的区别是必要的,以解释为什么宇宙中有更多的物质。

在目前描述中微子相互作用的主流理论中,有一个变量对中微子和反中微子振荡不同的可能性很敏感。如果该变量为零,这两种粒子以相同的速度振荡;如果这个变量不等于零,这两种粒子的振荡就不同。

当T2K测量这个变量时,他们发现它与中微子和反中微子振荡相同的假设不一致。更严格地说,他们为这个变量确定了一个可能值的范围。这个变量的真值在这个范围内的概率是95%而真值在这个范围外的概率只有5%“无差异”假说超出了95%的范围。

用更简单的术语来说,目前的测量表明中微子和反物质中微子的振荡是不同的,尽管这种确定性还没有上升到可以做出明确断言的程度。事实上,批评人士指出,应该以非常怀疑的态度来看待具有这种统计意义的衡量标准。但这无疑是一个极具挑衅性的初步结果,世界科学界对改进和更精确的研究非常感兴趣。

T2K实验将继续记录更多的数据,希望能做出一个明确的测量,但这并不是唯一的游戏。在芝加哥郊外的费米实验室,一项名为NOVA的类似实验正在明尼苏达州北部同时发射中微子和反物质中微子,希望能先发制人,打败T2K。而且,展望未来,费米实验室正在努力进行它的旗舰实验——沙丘(深地下中微子实验),这个实验将具有研究这一重要现象的优越能力。

虽然T2K的结果不是决定性的,而且需要谨慎,但它肯定是诱人的。考虑到为什么我们的宇宙似乎没有明显的反物质这个问题的严重性,世界科学界将热切地等待进一步的更新。

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