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物质为什么会存在?中微子的“身份转换”或能揭晓

2020-03-26 10:48:02  来源:新浪科技

北京时间2月5日消息,据国外媒体报道,多年以来,一支国际研究团队一直驻守在意大利中部一座山脉的地下实验室,收集宇宙神秘物质中微子的相关证据。如果得以证实,该发现将揭开困扰物理学家数十年的宇宙谜团——物质为什么会存在?

科学家一直认为物质有一个被称为反物质的“孪生兄弟”,对于宇宙中每一个基本粒子而言,都存在着一种反粒子,它与同胞粒子具有相同质量,但是电荷相反,当粒子和反粒子正面接触时,就会相互湮灭,产生纯净能量。

物质与反物质具有完全对称性

美国弗吉尼亚理工大学物理学教授托马斯·奥唐奈尔(Thomas O‘Donnell)称,物质和反物质之间存在明显的完全对称性,这意味着一个物质形成,就会产生平衡性的反物质,该物质摧毁之时,其反物质也遭受摧毁。如果该理论是正确的,那么一种类型的物质存在,就必然相应地存在一种反物质。

这种对称性与当前人类对宇宙起源论的理解相悖,依据大爆炸理论,当宇宙在138亿年前从一个无限小的奇点开始膨胀时,就有等量的物质和反物质存在。目前,当天文学家观测宇宙空间时,发现宇宙几乎完全是由物质构成,而却未发现任何反物质,更令人纠结的是,如果大爆炸理论是正确的,那么我们人类就不应该存在。

奥唐奈尔说:“如果物质和反物质完全遵循这种对称性,那么随着宇宙不断进化,所有的物质和反物质都将湮灭成光子,恒星、行星,甚至人类细胞是不会存在的!这里存在一个问题:在宇宙进化过程中,是否违背了物质与反物质的对称体系?”

这个问题正是奥唐奈尔和同事们想要解答的,在过去两年里,他们收集分析了意大利格兰萨索国家实验室“罕见事件低温地下观测实验(CUORE)”的分析数据,搜寻能解开宇宙谜团的确凿证据。

中微子谜团

CUORE一词在意大利语中是心脏的意思,CUORE实验致力于搜寻叫做中微子的亚原子粒子,并试图证实中微子是反粒子,物理学家将中微子称为“马纳拉那粒子(Majorana particle)”。中微子像幽灵一样穿过大多数物质,并且极难被探测到,事实上,依据美国宇航局的观点,太阳每秒释放数万亿个中微子,一些中微子会穿过人类身体。

CUORE实验搜寻的是马纳拉那中微子相互湮灭迹象,该过程被称为“无中微子双贝塔衰变”。在普通的双贝塔衰变过程中,原子核中的两个中子同时转变成两个质子,释放出一对电子和反中微子,该原子核事件虽然非常罕见,每隔100千万亿年才发生一次,但该现象已在现实生活中观察到。

然而,如果研究人员的理论是正确的,并且中微子是真正的马纳拉那粒子(一种反粒子),那么在衰变过程中产生的两个反中微子就会相互湮灭,产生一个没有中微子的双贝塔衰变。最终的结果呢?该过程仅产生电子,它们是“普通物质”,如果这一过程被证明是正确的,那么它可能就是早期宇宙散播普通物质的原因,然而,科学家评估称,无中微子的双贝塔衰变(如果它真实存在的话),可能每隔10^25年才发生一次。

奥唐奈尔说:“我们真正希望看到的是无中微子模式,它将打破常规理论,在没有反物质的情况下可产生物质,这将是揭晓物质-反物质不对称性的第一个重要线索。”

CUORE探测器以热量的形式,从碲原子放射性衰变过程中产生的电子中寻找能量信号,无中微子的双贝塔衰变将在电子能量谱中留下一个独特、可区分的峰值。

CUORE项目技术管理员卡洛·布奇(Carlo Bucci)在一份声明中称,从本质上讲,CUORE探测器是世界上最灵敏的温度计之一,经过十几年的组装,该设备保持宇宙最低温度,它是由988块立方晶体构成,每个立方晶体是由二氧化碲材料制造。

该探测器温度保持在零下273摄氏度,为了保护该实验免遭外部粒子(例如:宇宙射线)的干扰,探测器包裹在较厚的高纯度铅层中。

尽管研究团体取得了技术升级突破,但是发现无中微子事件并非简单的事情,自2017年得出初步结果以来,研究人员收集的数据增加3倍多,这是迄今为止此类粒子探测器收集最多的数据,但结果显示并未发现无中微子双贝塔衰变的证据。

目前,研究小组认为,中微子至少比电子轻500万倍,他们计划在最初5年运行后对CUORE项目进行升级,并引入一种新型晶体,他们希望该晶体将大幅提高灵敏度。

奥唐奈尔说:“如果历史可以很好地预测未来,那么我们可以非常肯定地讲,突破探测技术的极限将使我们更深入地观测中微子,希望我们能够发现无中微子的双贝塔衰变过程,或获得一些更奇特、更意想不到的科学发现。”(叶倾城)

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