鱼羊 晓查 发自 凹非寺
量子位 报导 | 大众号 QbitAI
众所周知，世界诞生于一次大爆炸。
可是大爆炸之后发作了什么，人类到现在也没彻底搞清楚。
比方说，咱们发现的物理规则是对称的，那么对称的规律就会让大爆炸发作的正物质和反物质相同多。
但正物质和反物质遇到一同就“灰飞烟灭”，所以假如正反物质相同多，世界不会有质子电子，更不会有原子，更不会有生命诞生。
终究是什么打破了世界的对称性？
在解开这一重要谜题的道路上，今日，人类又迈出了重要一步：
人们现已找到了正物质终究怎么打败反物质的原因之一。
来自日本、美国、俄罗斯等12国的T2K团队，经过十年的累计调查发现，是中微子打破了这种对称性，而世界终极的不对称性或许就藏在中微子的不对称中。
这一爆炸性的最新研讨，登上了最新一期Nature封面。
什么是中微子
为了搞清楚这样的一个问题，首要让咱们来了解一下什么是中微子？
任何物理现象都应该满意的能量、动量、角动量守恒规律，核反响也不破例，可是科学家们发现，原子核的β衰变（放出一个电子）好像并不满意。
△ 气泡室中观测到的中微子
为了解说这一现象，物理学家泡利提出原子核在裂变中还会放出一种很难勘探到的不带电粒子。
由于人类现已发现一种不带电的中性粒子，叫做中子。这种不带电更轻的粒子，只能被叫做“细小的中子”，也便是中微子。
值得一提的是，我国物理学家王淦昌在1941年提出了一种勘探中微子的办法，可是其时的我国还在抗战中，底子没有试验条件。之后被别的两位美国物理学家发现，并获得了诺贝尔奖。
在咱们的日子中，中微子能够说是无处不在，比阳光还要常伴。
由于最大的中微子源便是太阳，太阳是个巨大的核反响堆，核聚变会发作很多的中微子。
而每秒经过咱们身体的就有几万亿个。不过不用忧虑辐射问题，由于中微子和物质的彼此效果极弱，乃至能够轻松穿过一千个地球，所以对你身体简直不会有任何影响。
开始，科学家们依据太阳模型核算出中微子数量，和地球上勘探到的数量存在巨大差异。差了多少呢？后者只要前者的1/3，剩余的2/3到哪里去了？
考虑到地球和太阳之间简直是空无一物的真空，明显中微子不行是被啥东西挡住了，何况中微子的穿透力还这么强。
后来科学家们发现，其实中微子总共有三种“滋味”：电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。它们别离在电子、μ子、τ子参加的核反响中发作，也只能和对应的粒子反响。
这三种中微子在挨近光速飞翔的途中能够彼此转化，物理学家把这种现象叫做中微子振动。
太阳内的核反响只能发作电子中微子，它在飞向地球的过程中，有2/3变成了μ子中微子和τ子中微子。
而咱们曩昔的试验办法只能勘探到电子中微子，所以就漏掉了别的的2/3。
“挖坑灌水”找中微子
已然中微子和物质之间的效果这么弱，咱们又怎么找到它？
科学家给出的办法是“加大剂量”。
中微子和物质原子发作彼此效果是一个小概率事件，假如咱们用满意的原子去“捕捉”中微子，总会有那么几个被发现的。
T2K试验选用的勘探器，便是日本超级神冈勘探器（Super-K）。
超级神冈勘探器坐落1000米深的地下，由一座抛弃的砷矿改造而成。
超级神冈是一个高41.4米、直径39.3米的不锈钢圆柱体“巨型水箱”，里边装着5万吨超纯水。
△ 超级神冈勘探器内部
之所以选这么深，是为了让地球的岩层屏蔽掉其他射线粒子，而中微子穿透力最强，终究抵达勘探器的就简直只剩它了。
简而言之，超级神冈便是“挖坑”和“灌水”。
为了发现为数不多被捕获的中微子，超级神冈内部装有11146个光电倍增管。
△ 超级神冈内的光电倍增管
当中微子和水中的原子核与电子发作反响后，就或许发作高能的电子或正电子，速度乃至超过了水中的光速。
当电子或正电子在水中以这么高的速度跋涉时，就会在粒子后方的尾巴上发作切连科夫辐射。浸在水中的核反响堆宣告的幽幽蓝光，便是这种辐射。
△ 核反响堆发作的切连科夫辐射
辐射中的光子射入光电倍增管中，就会发作电子，电子在电场中加快，然后发作更多的电子，像雪崩相同，终究发作能够勘探到的电流。
经过不同方位光电倍增管的电信号数据，科学家们就能够确认中微子的入射方向和“滋味”。
在这次Nature的封面文章之前，超级神冈在物理学历史上可谓大名鼎鼎、屡立奇功，共发作了两个诺奖级的研讨成果。
日本物理学家小柴昌俊由于用超级神冈在勘探世界中微子方面做出的奉献，获得了2002年的诺贝尔物理学奖。
△ 小柴昌俊
另一位日本物理学家梶田隆章由于用超级神冈“发现了中微子振动，证明了中微子具有质量”，获得了2015年的诺贝尔物理学奖。
本来中微子不对称
说了这么多，中微子和世界的来源又有什么关系呢？
前苏联原子物理学家安德烈·萨哈罗夫（Andrei Sakharov）曾就世界物质来源问题提出过一种机制。
他猜测的原因之一，便是物质和反物质的对称性并不完美，分子表现出的特性略有不同。这种差异或许会引起世界大爆炸后的冷却过程中，物质过剩。
假如世界后来的正反物质不相同多，就需求满意“萨哈罗夫条件”，其间的重要一条便是CP对称性的损坏。
CP对称性的意思是，把一个粒子的电荷换成与之相反的电荷，一同把粒子的自旋（自转方向）翻转过来，物理规律应该坚持不变。
假如正反物质不相同多，必须在世界诞生初期CP对称性被损坏。
其实1960年代以来，物理学家现已发现了CP对称性损坏，但多是其他一些较少见的粒子。
科学家们期望着有更大的CP不对称被发现，直到最新中微子试验成果的宣告。
而来自T2K协作安排的这项最新研讨成果，在极大程度上满意了这一假定条件。
T2K运用日实质子加快研讨中心（J-PARC）加快器发作的μ子中微子和μ子反中微子束，研讨这些粒子和反粒子怎么别离转变为电子中微子和电子反中微子。
在试验中，研讨人员调查到，长基线中微子和反中微子振动的丈量成果显现，中微子比反中微子具有更高的震动概率。
这种差异由CP损坏相角表明。假如相角为0，而且中微子和反中微子的行为相同，则该试验将检测到大约68个电子中微子和20个电子反中微子。
实际却并非如此。终究，T2K勘探到了90个电子中微子和15个电子反中微子。
也便是说，在300公里的行程中，中微子改动“滋味”的或许性更高，而反中微子的这一概率则相应地低于预期。中微子和它的反粒子振动概率不相同。
这是人类初次捕捉到中微子中的CP损坏现象。
在中微子中发现CP对称性损坏，暗示着更大的不对称性正在前期的世界中发挥效果。但中微子自身仍是太渺小了，无法完结这项作业。
可是三种“滋味”的中微子都或许与一种叫做“慵懒中微子”的暗物质联络在一同，它们之间的彼此效果会打破世界的平衡。
日内瓦大学物理学家，T2K协作安排发言人费德里克·桑切斯（Federico Sánchez）这样说道：
咱们第一次捕获到中微子中，CP损坏的现象。是一个真实的里程碑。
一同，也高度证明了，中微子和反中微子的行为是不同的。
这一点同样是个大打破——虽然人们现已发现了其他粒子中有物质-反物质差异，但那些差异太小了，并不足以解说实际世界存在的现象。
下一步试验，需求搜集满意的数据来证明这一新发现。
由于当时T2K的成果出于核算含义的3σ水平，假如彻底扫除物质-反物质对称性，置信度会下降到2σ。而粒子物理学研讨中，一般要求置信度为5σ。
德国马克斯-普朗克核物理研讨所的中微子物理学家Werner Rodejohann对此持乐观态度，由于在自然界中，中微子和反中微子如此不同，这将使依据累积的速度比估计快数年。
桑切斯也说，虽然现在的发现没有满意处理物质来源问题的一切条件，“但明显正在朝正确的方向跋涉”。
而现在的成果，对下一步的研讨有至关重要的指导含义。
不过，要到达5σ水平，仅靠T2K试验是不太或许的。
所幸，物理学家们或许能在下一代中微子勘探器中找到答案，行将投入到正常的运用中的此类勘探器包含：
我国的JUNO，计划在2022年投入到正常的运用中；
美国的DUNE，计划在2025年开始运用；
坐落超级神冈邻近的Hyper-Kamiokande，估计于2027年开始运用。
下面简略介绍一下T2K协作项目。
T2K的意思是东海（Tokai）到神冈（Kamioka），是日本的一个国际性粒子物理学试验，参加的国家包含日本、加拿大、法国、德国、意大利、韩国、波兰、俄罗斯、西班牙、瑞士、美国和英国。
T2K试验旨在研讨中微子在传达过程中怎么从一种滋味变为另一种滋味。中微子束自日本东海岸的J-PARC加快器发作，并被引导到日本西部山区的超级神冈中微子勘探器，中微子束强度和成分的改变，能供给有关中微子性质的信息。
中微子的其他趣闻
终究，还有一事值得共享。
中微子，一直是粒子物理学界的研讨热门。
关于中微子的研讨，还发作过许多风趣的故事。
比方上一年11月，天才数学家陶哲轩破天荒和三位萍水相逢的物理学家，一同宣告了一个简略方程式，求解特征向量的数学论文，工作的原因便是中微子振动研讨。
三位物理学家在核算中微子振动概率的时分发现：特征向量和特征值的几许实质，实际上的意思便是空间矢量的旋转和缩放。而中微子的三个味（电子，μ子，τ子），不就相当于空间中的三个向量之间的改换吗？
还有“中微子超光速”乌龙记。
2011年9月，意大利OPERA研讨组在欧洲核子中心宣告：他们在试验中发现中微子的速度“跑”过了光速。这一发现挑战了爱因斯坦狭义相对论中“光速不行逾越”的理论基础，引起极大重视。
不过，2012年头，研讨人员发现其实是设备硬件问题造成了“超光速”的成果，闹了个大乌龙。
接下来，为了更准确的成果，各国的科学家们还要持续挖更大的坑、灌更多的水。
中微子和超级神冈是否会成就下一个诺贝尔奖呢？
