物质为什么会存在？中微子的“身份转换”或能揭晓

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)

关键词： 中微子