为什么宇宙中充满物质，而不是反物质，是物理学中最大的谜团之一。日本的一项实验现在瞥见了一种可能的解释：称为中微子的亚原子粒子在其物质和反物质形式中的行为可能不同。
8月6日在伊利诺伊州芝加哥举行的国际高能物理会议（ICHEP）上宣布的这种差异可能并非真实：需要收集更多数据才能确定。“你可能会认为这种差异存在于中微子中，但现在就说我们能看到它还为时过早，”伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的理论物理学家安德烈·德·古维亚说。
即便如此，这项公告可能会增加人们对中微子研究的兴奋，这些丰富但难以捉摸的粒子似乎越来越成为解决物理学中各种难题的关键。
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在 20 世纪 90 年代，人们发现中微子违背了物理学标准模型的预测——对自然界的一个成功但并不完整的描述——因为它具有质量，而不是完全没有质量。此后，世界各地涌现出中微子实验，研究人员意识到他们应该从这些粒子中寻找新的物理学解释，美国费米国家加速器实验室（Fermilab）名为 NOvA 的中微子实验的物理学家基思·马泰拉说。“它们是标准模型中的裂缝，”他说。
一种奇怪的丰度
我们宇宙中物质相对于反物质的过剩是惊人的，因为如果在宇宙大爆炸后以相等的数量产生镜像粒子，它们就会在接触时相互湮灭，只留下辐射。物理学家已经观察到某些物质粒子和反物质粒子的行为差异，例如介子和 B 介子——但不足以解释宇宙中物质的优势。
一种答案可能是，超重粒子在早期宇宙中以不对称的方式衰变，并产生更多的物质而非反物质。一些物理学家认为，中微子的一个重量级亲戚可能是罪魁祸首。根据这个理论，如果今天的中微子和反中微子的行为不同，那么它们古代的对应物中的类似不平衡就可以解释物质的过量。
为了验证这一点，日本东海到神冈 (T2K) 实验的研究人员寻找物质和反物质中微子在三种类型或“味道”之间振荡方式的差异（参见“改变味道”）。他们从海边村庄东海村的日本质子加速器研究综合体向超神冈探测器发射一束一种味道的中微子——μ子中微子，这是一个地下钢罐，距离超过 295 公里，里面装满了 50,000 吨水。该团队计算了出现了多少电子中微子——这表明 μ 子中微子在旅程中已经变成了不同的味道。然后他们用一束 μ 子反中微子重复了实验。
纽约州罗切斯特大学的物理学家岩本功典在国际高能物理会议上的报告中说，这两束光束的行为略有不同。
奇怪的振荡
该团队预计，如果物质和反物质之间没有差异，他们的探测器在经过近 6 年的实验后，会看到 24 个电子中微子，并且——因为反物质更难产生和探测——7 个电子反中微子。
相反，他们在探测器中看到了 32 个中微子和 4 个反中微子。“在不深入复杂数学的情况下，这表明物质和反物质的振荡方式不同，”纽约州石溪大学的物理学家、T2K 实验的成员张纪政说。
来自 T2K 和 NOvA 实验的初步发现已经暗示了同样的想法。但到目前为止，观测结果可能是一种偶然的波动；如果中微子和反中微子的行为相同，那么看到这些结果的可能性为 1/20（或者用统计学术语来说，大约 2 个西格玛），张纪政指出。
这将需要更多数据来确认信号。到 2021 年当前运行结束时，T2K 实验应该拥有比现在多五倍的数据。但是，该团队将需要多 13 倍的数据才能将发现的统计置信度推至 3 个西格玛，这是一个统计阈值，大多数物理学家会认为该数据是合理的——但不是完全令人信服的——不对称性的证据。
两个比一个好
T2K 团队已提议将其实验延长至 2025 年，以便收集必要的数据。但它正试图通过将结果与 NOvA 的结果相结合来加速数据收集，NOvA 将中微子束从费米实验室发送到明尼苏达州北部的矿井 810 公里。NOvA 一直在发射中微子束；它将在 2017 年切换到反中微子束。这两个小组已同意进行联合分析，并可能在 2020 年左右共同达到 3 个西格玛，张纪政说。
达到宣布正式发现所需的统计确定性（5 个西格玛）可能需要新一代的中微子实验，这些实验已经在世界各地规划中。
NOvA 实验的研究人员在国际高能物理会议上提出了另一个令人兴奋但初步的发现，这也是通过研究 μ 子中微子转换为电子中微子的速率推断出来的：暗示中微子的三种不同质量状态中哪一种最重。他们发现他们的结果略微倾向于正常的质量顺序，而不是反向的质量顺序。了解是哪一个将帮助科学家在关于自然界的四种力如何在诸如大爆炸等高能量下统一为单一力的竞争理论之间做出选择。
德·古维亚说，物理学家几乎每年都在对中微子进行新的发现：“对于粒子物理的时间尺度来说，这种情况变化真的非常快。”
本文经许可转载，首次发表于2016 年 8 月 12 日。