中微子暗藏物质的“光明启示录”

中微子可能暗藏了某种属性的“神器”，对中微子特别属性的挖掘将有助于人们解释可见的宇宙没有被反物质“炸毁”的基本原因。宇宙极早期物质形成的状态与今日宇宙的物质成分可能有很大的不同，目前的宇宙学理论表明，除了已知的现有物质，在宇宙的极早期还有同等数量的反物质，物质和反物质“相依相伴”，各自占据了宇宙的“半壁江山”，但这种理论的预测是完全错误的。

人类是宇宙的观测者，假如在宇宙的极早期有同等数量的反物质，那么人类不可能出现在生机勃勃的地球上，也就不会有为经济增长深思、为环境污染担忧的机会了。撇开个人和集体、家庭和社会的诸多问题不谈，人类的诞生足以证明物质和反物质的数量失去了平衡。在中微子属性的物理实验中，研究人员对人类为什么存在的宇宙学背景有了更多理解，中微子极少和其它的物质粒子产生作用，它可能蕴含了一种导致正反物质“比例失调”的属性。

中微子和它的反粒子伙伴——反中微子有三种类型或三种风味，即：电子中微子，μ介子中微子 τ中微子。研究人员在多项实验中发现，中微子在三种风味之间自发地产生了转换，中微子“风味”的转换被物理学家称为震荡。在日本进行的T2K实验证实了中微子的震荡现象，中微子从日本东海的 J-PARC加速器传播到295公里外日本神冈的超级神冈中微子探测器，通过检测手段发现了中微子风味的变化。T2K中微子传输实验起始于2010年2月，几年之后，实验室被迫关闭，日本在2011年遭遇了一场9级大地震。

2013年，T2K实验团队检测到了28个μ介子中微子的震荡，中微子从实验室J-PARC发出，它们在到达超级神冈探测器时变成了电子中微子，研究人员第一次见证了中微子的“变形记”，实验团队随后进行了μ介子反中微子的实验，以检验普通物质粒子的震荡和它们的反物质粒子的震荡有什么不同。

从物理学的电荷—宇称 (CP) 对称理论得知，中微子正反粒子的风味转化率相等。物理学的CP对称理论揭示了一个规律：当人们使用反物质粒子取代相应的物质粒子时，物理学的规律保持基本的不变性。在所有粒子的相互作用中，CP对称似乎成立，物理学家从CP对称原理推导了一个结论：通过宇宙大爆炸的诞生机制产生了数量相等的物质和反物质。

物质和反物质产生相互湮灭反应，如果CP对称原理成立，那么宇宙极早期的物质和反物质将会湮灭为“缕缕青烟”，以猛烈的光辐射方式消失在早期的宇宙太空，今日宇宙的星系结构不可能形成或转变为一个虚无的世界，人们不能期待所有的宇宙物质聚结成块，逐渐结合为行星和卫星之类的固态天体，而人们的身体只是物质成分的极小部分，所有的宇宙物质没有消失得像一阵风、一片烟。

天文的观测结果表明，物质世界没有在物质和反物质的湮灭反应中消亡，这一切是怎样发生的？我们的宇宙不是什么都没有，事实上是有点什么，比如：目前的地球正在经历气候史上最剧烈的变动时期，世界各地的气象灾害频繁发生，全球气候变暖引发了接连不断的洪灾和旱灾。假如科研人员观察到了CP对称性原理出现了任何的偏离，那么他们可能找到了今日宇宙物质和反物质数量存在巨大差异的线索，也为地球和人类文明的发生找到了宇宙学的解释。

NoVA等项目实验与 T2K中微子实验的原理和目标基本相同， 在NoVA实验项目中，研究人员将中微子从伊利诺伊州发送到明尼苏达州，在中微子传送过程中检测它们的风味可能发生的变化。 NoVA实验项目的首席科学家帕特丽夏۰瓦勒解释说，宇宙怎样创造了比反物质多得多的物质？这需要有某种违反CP对称原理的物理机制，他们正在做的实验项目就是寻找任何违反CP对称原理的线索。

物理学家已知在不同的夸克之间存在相互作用，而夸克是构成质子和中子的更小粒子，质子和中子组成了原子，但夸克种类的不同似乎没有达到足够大的程度，这多少可以解释为什么物质在今日宇宙占据了压倒性的绝对数量，但不排除有更好的物理解释。目前的实验说明，中微子震荡现象在解释今日宇宙的形成时充满希望，实验结果可能解释任何CP对称原理的偏离。

近日在英国伦敦召开了中微子国际学术会议，人们似乎发现了违反CP对称原理的第一个迹象，来自加拿大多伦多大学等机构的研究人员在学术大会上报告了T2K中微子实验的最新结果，已经检验到了32个μ介子中微子转变为电子中微子，相比较而言，仅有4个检测到的反μ介子中微子转变为反电子中微子。

物质粒子数量多于反物质粒子数量，如果CP对称原理成立，那么检测的结果将会有所不同，研究人员在每一次的实验中发现了不多的偏离数量，但其中的差异已足够大，在2个西格玛水平上否定了CP对称性原理。如果实验结果保持了CP对称性，那么T2K实验团队只有大约5%的确认原理有效的可能性。粒子物理学家通常要达到3个西格玛水平，只有达到5个西格玛水平，他们才能宣布CP对称原理不成立。中微子行为是否违反了CP对称性？一切皆有可能，科学家正在等待一切可能发生的结果。

在伦敦召开的中微子国际学术会议上，首席科学家瓦勒“趁热打铁”地递交了NoVA项目最新的实验成果，NoVA和T2K两个中微子实验项目取得了高度一致的实验结果，从而强化了CP对称性偏离的可能。NoVA项目计划进行反中微子实验。为了取得相得益彰的实验效果，两大实验团队将会收集更多的实验数据，但宣布任何确定的结论还为时过早，有些物理学的谜题看似到了解开的“节骨眼上”。只要科学家在探索物理奥秘的大路上行走，他们距离解开谜底的目的地只会越来越近。

（编译：2016-7-16）

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