為何現在宇宙物質多于反物質？ 中微子或是背后推手

　　本報記者 劉 霞 綜合外電

根據大爆炸理論和粒子物理理論，宇宙起源于大約137億年前的一次大爆炸。在宇宙誕生之初，能量轉化為同樣多的正物質與反物質，這兩種物質相遇會發生劇烈爆炸，轉化為能量，并歸于湮滅。可是目前宇宙中的天體均為正物質，沒有發現反物質天體。

為什么現在的宇宙間充滿了正物質而非反物質呢？這是物理學領域最大的謎團之一。英國《自然》雜志8月12日報道說，在近日于美國芝加哥舉辦的第38屆高能物理國際會議(ICHEP)上，日本科學家們給出了一個解釋：中微子這種亞原子粒子在物質形態和反物質形態的表現不同。不過，他們也表示，還需要收集更多數據才能對此解釋進行確認。

中微子究竟為“何方神圣”

在粒子物理學里，標準模型是一套描述強力、弱力、電磁力這三種基本力，以及組成所有物質的基本粒子的理論。自從20世紀70年代標準模型建立后，一直久經考驗而屹立不倒。但上個世紀90年代，有一種粒子公然藐視其規則，它就是中微子。根據理論，中微子不具有質量，但實際情況是，1998年，物理學家利用日本一個礦內的超級神岡探測器，發現中微子具有質量——盡管不足電子的十億分之一。

參與美國費米國家加速器實驗室NuMI離軸中微子實驗(NOVA)的物理學家基斯·馬特拉稱，從那時開始，世界各地的中微子實驗如雨后春筍一樣冒出，而且科學家們也慢慢意識到，他們或許可以以這一粒子為突破口獲得新的發現和解釋。“它們是標準模型中的缺口。”

中微子有3種：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。中微子不帶電，質量極小。根據量子力學，不同的中微子之間可以相互轉換，我們稱之為中微子振蕩。

正反中微子行為有別

在現在的宇宙中，物質明顯比反物質多，物理學家們觀察了一些物質粒子和反物質粒子，如K介子和B介子的行為差異，但并不足以解釋物質為何會超越反物質，取得支配地位。

一個答案可能是超重粒子在宇宙誕生初期，采用不對稱的形式衰變產生了更多的物質。有科學家認為，中微子一種超重的“親戚”可能是“幕后推手”。根據這一理論，如果中微子和反中微子現在表現得不一樣，那么，其更古老的對應物也應該存在同樣的不平衡，這或許可以解釋為什么物質比反物質多。

為了測試這一想法，日本從東海到神岡的中微子實驗(T2K)的研究人員探究了物質和反物質中微子行進時，在三種“味”之間振蕩的差異。他們從位于日本東海海邊的質子加速器研究中心發射出一束μ子中微子，到295公里遠的超級神岡探測器(這個地下鐵罐裝滿了5萬噸水)。研究人員計算出了在此過程中，有多少電子中微子出現——這是μ子中微子在整個旅程中變形成另一種中微子的信號。隨后，他們使用一束介子反中微子，重復了這一實驗。

美國羅切斯特大學的物理學家巖本幸之助(音譯)在出席ICHEP時表示，兩束中微子的表現略有不同。

該研究團隊認為，如果物質和反物質的行為沒有差異，那么，他們將在探測器內發現24個電子中微子和7個電子反中微子(因為反物質更難生成和探測)，但結果他們發現了32個中微子和4個反中微子。紐約州立大學石溪分校的物理學家、T2K實驗成員姜常金(音譯)說：“這表明，物質和反物質的振蕩方式并不一樣。”

還需更多數據驗證

盡管T2K和NovA實驗提供的初步結果都表明了同樣的觀點，但迄今為止的觀察可能只是概率事件，如果中微子和反中微子的表現一模一樣的話，科學家們也有二十分之一的機會(2西格瑪)看見這樣的結果。

因此，科學家們需要更多數據對這一信號進行驗證，T2K本輪實驗將運行到2021年，屆時它將獲得目前5倍多的數據，但該研究團隊將需要大約13倍的數據，才能將統計置信度提升到3西格瑪——大多數物理學家愿意接受數據合理但不能完全確定的門檻。

為了收集更多必需的數據，T2K團隊提出將實驗延續到2025年。不過，與此同時，他們也打算通過與NovA合作，從而加快搜集數據的速度。目前，參與NovA實驗的科學家們已從費米國家實驗室發射一束中微子到810公里之外的位于明尼蘇達州北部的一座礦井下，并將于2017年發射反中微子束。這兩個團隊已經同意攜手對數據進行分析，到2020年，得到的數據的統計置信度有望達到3西格瑪。

研究人員表示，要想達到宣布某些數據為“一項發現”所需要的統計置信度5西格瑪，可能需要新一代的中微子實驗，目前全球各地正在計劃這些中微子實驗。

盡管如此，這一發現激發了科學家們對于物理學界的“香餑餑”——中微子進行深入研究的興趣。他們認為，這種無所不在而又飄忽不定的粒子可能是解決多個物理學謎團的“鑰匙”。