感觉就像阿波罗控制室在登月前几秒钟一样。对于6月14日聚集在俄罗斯杜布纳核研究所会议室的大约60名物理学家来说，这是关键时刻。经过近十年的努力，他们孜孜不倦地寻找宇宙中最稀有的放射性衰变过程之一——如果它存在的话——的结果即将揭晓。
狩猎场是15公斤纯锗晶体，它们被极端隔离地保存在意大利一座山下深处。锗探测器阵列（GERDA）合作组的成员一直在监测晶体内部的电活动，希望能检测到“无中微子双β衰变”，即锗-76原子核内部的粒子自发重组，将其转化为硒-76。这种化学衰变可能为物理学中最大的谜团之一提供解决方案：为什么宇宙中存在某种东西而不是虚无。
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在其他类型衰变、探测器噪声和流浪辐射引起的电活动混乱中，物理学家们预计他们的仪器会捕捉到两到三个背景噪声尖峰，这些尖峰与无中微子双β衰变产生的尖峰非常相似。但他们需要更强的信号——八到十个尖峰——才能确信他们真的检测到了它。
在房间前面的一个大屏幕上，答案出现了：三个尖峰。“当我们看到这个数字时，很明显没有信号，”德国慕尼黑马克斯·普朗克物理研究所所长兼 GERDA 合作组成员 艾伦·考德威尔 说。但这个负面发现仍然是一场胜利。以前对无中微子双β衰变的搜索被不受控制的背景噪声所破坏。GERDA 的极端灵敏度和精确的背景估计使研究人员能够明确排除信号。“每个人都拿着相机拍照，互相拍背，”考德威尔说。
9月19日《物理评论快报》报道的零结果表明，一个样本中一半的锗-76原子发生衰变需要至少30万亿亿年，如果它们真的会衰变的话，这是宇宙年龄的2000万亿倍。如果“半衰期”短得多，GERDA 就会检测到信号。因为半衰期越长意味着衰变越稀有，科学家现在知道他们需要监测更大数量的锗样本。
“很难表达为什么一个负面结果是一个令人兴奋的结果，”慕尼黑工业大学物理学家兼 GERDA 合作组发言人 斯特凡·舍纳特 说。但他说，这很简单：“我们的实验成功了。”
从虚空中诞生
根据粒子物理学的标准模型，宇宙应该是空的。物质和反物质（除了电荷相反外，它们是相同的）似乎在粒子相互作用和衰变过程中以相等的部分产生。然而，物质和反物质在接触时会立即相互湮灭，因此每种物质的相等数量将意味着在大爆炸后不久两者都会被彻底湮灭。星系、行星和人类的存在表明，不知何故，少量物质在这种抵消过程中幸存了下来。如果这种情况没有发生，“宇宙将是空的，”舍纳特说。“对于我们这些不存在的人来说，这将非常非常无聊。”
一些物质的幸存可能在于被称为中微子的亚原子粒子。这些粒子可能具有一种特殊性质，会导致无中微子双β衰变。
当一个原子发生一种类型的β衰变时，其原子核内的一个中子会自发地转变为质子、电子和反中微子（中微子的反物质对应物）；在一种类型的逆β衰变中，中子吸收一个中微子并变形为质子和电子。
在无中微子双β衰变中，这两个过程将同时发生：第一种衰变产生的反中微子将充当进入第二种衰变的中微子。只有当意大利物理学家埃托雷·马约拉纳在1937年假设的那样，中微子和反中微子是同一个粒子时，才会发生这种双重反应。由于中微子是电中性的，因此没有任何东西阻止它们成为“马约拉纳粒子”，或者同时是物质和反物质。
德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的物理学家伯恩哈德·施温根霍伊尔说：“中微子是它自己的反粒子似乎很自然。”“在这种情况下，应该存在无中微子双β衰变。”
如果衰变确实存在，证明中微子是马约拉纳粒子，这可以解释物质-反物质不对称性。
一个被广泛支持的假设称为 跷跷板机制，该机制预测马约拉纳中微子将有两种形式：今天观察到的轻量级中微子和只能在像新生宇宙这样的高能环境中存在的重量级中微子。（它们的质量具有反比关系，就像跷跷板的两侧。）该理论最初是为了解释为什么中微子的质量远小于标准模型的其他粒子，但它也为过剩的物质提供了一种方法。
在大爆炸发生后的瞬间，这些原始的重中微子将经历一个称为 轻子生成的过程：计算表明，它们的衰变是不对称的，产生的轻子（电子、μ子和τ粒子）略少于反轻子。通过传统的标准模型过程，反轻子的过量随后将级联到重子（质子和中子）超过反重子的十亿分之一的过量。“重子和反重子相互湮灭，然后剩下的微小不平衡就是我们今天拥有的物质，”考德威尔说。
施温根霍伊尔说：“如果中微子是它自己的反粒子，那么解释物质-反物质不对称性的所谓轻子生成机制将非常合理。”
尽管存在替代理论，但物理学家们表示，这是解释不对称性最流行、最直接、最经济的方式。如果能获得八到十个实验证据的电峰值，它将获得巨大的推动力。
衰变的新生
半个多世纪前，物理学家们就认识到，观察无中微子双β衰变将证明中微子是马约拉纳粒子。但是，直到1990年代末，他们“根本不知道该往哪里看，”劳伦斯伯克利国家实验室的中微子物理学家艾伦·潘说。他们知道衰变可能发生在像锗-76这样的同位素中，其原子核中的能量比它将变成的同位素要多，在元素周期表上相差两个位置。但是他们不知道衰变有多么罕见，因此也不知道他们需要监测多少锗或者监测多长时间。由于没有衰变半衰期的可能性范围，他们的任务感觉就像在“大西洋底部寻找宝藏，”潘说，由于可能没有任何东西可以找到，这种磨难变得更加糟糕。
锗-76和其他同位素的半衰期可以通过轻型中微子的质量来计算。过去二十年的实验表明，这些 中微子在三种“味”之间振荡——电子、μ子和τ——每种都有其三种独特质量的组合。尽管质量本身是未知的，但振荡的速率决定了它们之间可能的差异。这些反过来又决定了无中微子双β衰变的三个可能半衰期范围，从几万亿亿年到几千亿亿年不等。这是一个巨大而遥远的范围，但它是有限的。
舍纳特说：“中微子振荡在隧道尽头点亮了一盏灯。”
GERDA 的结果——迄今为止对无中微子双β衰变最敏感的搜索之一——表明半衰期范围必须从更高的点开始。该结果证实了EXO-200和 KamLAND-Zen 实验的最新结果，这些实验共同将氙-136（另一种可能发生衰变的同位素）的衰变半衰期下限设置为34万亿亿年。这些不同合作组的物理学家现在可以继续有条不紊地研究可能的半衰期范围。
半衰期越长，衰变越罕见，因此必须监测更多的原子才能看到它。升级后的 GERDA II 期实验将于明年初开始从 40 公斤的锗中收集数据；如果其半衰期小于 100 万亿亿年，则应在三年运行结束时看到衰变。包括美国境内的 马约拉纳演示器实验在内的多项搜索正在建设中，并且计划进行下一代更敏感的搜索。更大的样本意味着更多的背景噪声，因此每个新的实验都必须比上一个实验受到更严格的控制。
大多数中微子物理学家希望最终找到衰变。“由于马约拉纳中微子理论的美丽，存在这种偏见，”舍纳特说，“但不能保证这是真实的故事。”
经 夸克杂志 许可转载，该杂志是 SimonsFoundation.org 的一个编辑独立部门，其使命是通过报道数学以及物理和生命科学领域的研究进展和趋势来增进公众对科学的理解。