本报记者 刘 霞 综合外电
根据大爆炸理论和粒子物理理论，宇宙起源于大约137亿年前的一次大爆炸。在宇宙诞生之初，能量转化为同样多的正物质与反物质，这两种物质相遇会发生剧烈爆炸，转化为能量，并归于湮灭。可是目前宇宙中的天体均为正物质，没有发现反物质天体。
为什么现在的宇宙间充满了正物质而非反物质呢？这是物理学领域最大的谜团之一。英国《自然》杂志8月12日报道说，在近日于美国芝加哥举办的第38届高能物理国际会议（ICHEP）上，日本科学家们给出了一个解释：中微子这种亚原子粒子在物质形态和反物质形态的表现不同。不过，他们也表示，还需要收集更多数据才能对此解释进行确认。
中微子究竟为“何方神圣”
在粒子物理学里，标准模型是一套描述强力、弱力、电磁力这三种基本力，以及组成所有物质的基本粒子的理论。自从20世纪70年代标准模型建立后，一直久经考验而屹立不倒。但上个世纪90年代，有一种粒子公然藐视其规则，它就是中微子。根据理论，中微子不具有质量，但实际情况是，1998年，物理学家利用日本一个矿内的超级神冈探测器，发现中微子具有质量——尽管不足电子的十亿分之一。
参与美国费米国家加速器实验室NuMI离轴中微子实验（NOVA）的物理学家基斯·马特拉称，从那时开始，世界各地的中微子实验如雨后春笋一样冒出，而且科学家们也慢慢意识到，他们或许可以以这一粒子为突破口获得新的发现和解释。“它们是标准模型中的缺口。”
中微子有3种：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。中微子不带电，质量极小。根据量子力学，不同的中微子之间可以相互转换，我们称之为中微子振荡。
正反中微子行为有别
在现在的宇宙中，物质明显比反物质多，物理学家们观察了一些物质粒子和反物质粒子，如K介子和B介子的行为差异，但并不足以解释物质为何会超越反物质，取得支配地位。
一个答案可能是超重粒子在宇宙诞生初期，采用不对称的形式衰变产生了更多的物质。有科学家认为，中微子一种超重的“亲戚”可能是“幕后推手”。根据这一理论，如果中微子和反中微子现在表现得不一样，那么，其更古老的对应物也应该存在同样的不平衡，这或许可以解释为什么物质比反物质多。
为了测试这一想法，日本从东海到神冈的中微子实验（T2K）的研究人员探究了物质和反物质中微子行进时，在三种“味”之间振荡的差异。他们从位于日本东海海边的质子加速器研究中心发射出一束μ子中微子，到295公里远的超级神冈探测器（这个地下铁罐装满了5万吨水）。研究人员计算出了在此过程中，有多少电子中微子出现——这是μ子中微子在整个旅程中变形成另一种中微子的信号。随后，他们使用一束介子反中微子，重复了这一实验。
美国罗切斯特大学的物理学家岩本幸之助（音译）在出席ICHEP时表示，两束中微子的表现略有不同。
该研究团队认为，如果物质和反物质的行为没有差异，那么，他们将在探测器内发现24个电子中微子和7个电子反中微子（因为反物质更难生成和探测），但结果他们发现了32个中微子和4个反中微子。纽约州立大学石溪分校的物理学家、T2K实验成员姜常金（音译）说：“这表明，物质和反物质的振荡方式并不一样。”
还需更多数据验证
尽管T2K和NovA实验提供的初步结果都表明了同样的观点，但迄今为止的观察可能只是概率事件，如果中微子和反中微子的表现一模一样的话，科学家们也有二十分之一的机会（2西格玛）看见这样的结果。
因此，科学家们需要更多数据对这一信号进行验证，T2K本轮实验将运行到2021年，届时它将获得目前5倍多的数据，但该研究团队将需要大约13倍的数据，才能将统计置信度提升到3西格玛——大多数物理学家愿意接受数据合理但不能完全确定的门槛。
为了收集更多必需的数据，T2K团队提出将实验延续到2025年。不过，与此同时，他们也打算通过与NovA合作，从而加快搜集数据的速度。目前，参与NovA实验的科学家们已从费米国家实验室发射一束中微子到810公里之外的位于明尼苏达州北部的一座矿井下，并将于2017年发射反中微子束。这两个团队已经同意携手对数据进行分析，到2020年，得到的数据的统计置信度有望达到3西格玛。
研究人员表示，要想达到宣布某些数据为“一项发现”所需要的统计置信度5西格玛，可能需要新一代的中微子实验，目前全球各地正在计划这些中微子实验。
尽管如此，这一发现激发了科学家们对于物理学界的“香饽饽”——中微子进行深入研究的兴趣。他们认为，这种无所不在而又飘忽不定的粒子可能是解决多个物理学谜团的“钥匙”。
返回首页
