神秘粒子：宇宙“反物質消失案”的最大嫌疑人？

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大爆炸應該產生等量的物質和反物質，它們會在壯觀的純能量爆發中相互湮滅。但事實并非如此，我們周圍看到的一切，從我們腳下的地面到最遙遠的星系，都是由物質構成的。這對于科學家來說，一直是個難題：根據物理學家目前最完善的理論，物質、反物質應該在大爆炸時以等量產生。但宇宙中反物質卻極其罕見，那么究竟是怎么回事呢？

物理學家目前尚無法解答這個問題，但許多人認為答案必然涉及物質與反物質行為方式中某種微妙的差異。而當下，通往這片未知領域最有希望的途徑，正聚焦于一系列涉及神秘亞原子粒子——中微子的新實驗。

這并非斷言中微子必然是物質-反物質不對稱性的解釋，但能夠解釋這種不對稱性的絕大多數模型都與中微子相關聯。

物理學家談論的物質，指的只是構成宇宙的普通物質——主要是質子和中子，以及電子等更輕的粒子。盡管“反物質”這個詞聽起來充滿科幻色彩，但反物質與普通物質其實并無本質區別。通常唯一的差異在于電荷： 例如正電子（首個被發現的反物質粒子），其質量與電子相同，但帶正電荷而非負電荷。電中性粒子的情況稍顯復雜。例如，光子被視為自身的反粒子，但反中子與中子不同，它由反夸克而非普通夸克構成。

自然界中存在多種反物質粒子；它們存在于宇宙射線和雷云中，并由某些放射性衰變產生。（因人體以及香蕉含有微量放射性鉀元素，它們會以正電子的形式釋放極微量的反物質。）

反物質推進飛船。圖源：https://blog.sina.com.cn/s/blog_c7e597760102we9j.html

科學家們在粒子加速器及其他實驗中也曾制造出微量反物質，但這耗了費巨大精力與資金——這與科幻小說中關于反物質火箭推進、反物質殲星武器的幻想相距甚遠。

當物質與反物質相遇時，它們會湮滅，并以輻射形式釋放能量。這種湮滅遵循愛因斯坦的質能方程：E=mc2——能量等于質量乘以光速的平方——表明你可以將少量物質轉化為大量能量，反之亦然。（香蕉和人體釋放的正電子質量微乎其微，因此它們湮滅時釋放的能量微弱到難以察覺。）盡管在理論上可以存在從反物質分子到反物質行星乃至恒星的各種形態，但由于物質與反物質極易湮滅，所以想要制造出比原子大得多的反物質相當困難。

但存在一個謎題：如果物質與反物質在大爆炸時如理論所言以等量產生，它們不該相互湮滅，最終形成純能量構成的宇宙嗎？為何至今仍有物質存在？

南達科他州利德市桑福德地下研究設施的長基線中微子設施于2024年完成挖掘工程。該工程旨在為深地中微子實驗項目鋪路。圖源：瑞安·波斯特爾 / 費米國家加速器實驗室

物理學家最合理的推測是，早期宇宙中某些過程使物質的產生優于反物質的產生——但具體是什么過程至今仍是謎團，而我們為何生活在物質主導的宇宙中，則是整個物理學領域最令人困惑的問題之一。

關鍵在于，物理學家至今未能構想出任何符合當今主流物質與能量理論——即粒子物理學的標準模型——的此類過程。這促使理論學家們尋求新思路，探索超越標準模型的未知物理領域，而中微子正是在此背景下登場。

中微子的回答

中微子是微小的無電荷粒子。根據標準模型，它們本應像光子一樣沒有質量，但自1990年代開始的實驗表明，它們實際上具有微小質量（其質量至少比電子輕百萬倍，而電子已是普通物質中最輕的粒子）。由于物理學家已知中微子因具有質量而違背標準模型，他們希望通過深入研究這些微小粒子，或許能窺見標準模型之外的奧秘。

然而，由于中微子幾乎不與其他粒子發生相互作用，它們的奧秘始終難以揭示。每秒鐘約有600億個來自太陽的中微子穿過你皮膚的每個平方厘米。倘若這些中微子與人體內的原子發生相互作用，很可能將摧毀我們。但它們只是徑直穿透而過。芝加哥附近費米實驗室的物理學家佩德羅·馬查多指出：“你一生中幾乎不可能與任何一個中微子發生相互作用，這種概率實在微乎其微。”

然而實驗表明，中微子在傳播過程中會發生“振蕩”，在三種不同的身份之間轉換——物理學家稱之為“味”：電子中微子、μ中微子和τ中微子。并且電子中微子轉變為μ介子中微子的概率隨傳輸距離的變化而變化。(第三種中微子狀態——τ中微子非常罕見）。同時， 振蕩測量還揭示出，不同味的中微子具有略微不同的質量。

中微子狀態隨著傳輸距離的變化概率圖

中微子振蕩是奇怪的，但它可能是有用的，因為它可能讓物理學家探究自然界的某些基本對稱性——而這些對稱性反過來又可能闡明最令人不安的不對稱，即宇宙的物質-反物質不平衡。

對中微子研究者而言，電荷-宇稱（CP）對稱性是關鍵的對稱性原理。它實際上由兩種獨立對稱性組合而成：改變粒子的電荷會使物質轉化為反物質（反之亦然），而改變粒子的宇稱則會使粒子變成其鏡像（如同將右手手套變成左手手套）。因此普通物質粒子的CP反演版本，恰是對應反粒子的鏡像。但這種反演粒子是否與原始粒子完全相同？若存在差異，物理學家便稱CP對稱性遭到破壞——這其實是在委婉地說明物質與反物質的行為存在細微差別。因此自然界中任何CP對稱性破壞的實例，都有助于解釋物質與反物質的不平衡現象。

事實上，在某些介子（通常由一個夸克和一個反夸克組成的亞原子粒子）中，已觀測到CP破壞現象——這一驚人發現最早可追溯至20世紀60年代。但該效應極其微弱，遠不足以解釋宇宙中物質與反物質的不對稱性。

歐洲核子研究中心的大型粒子對撞機。圖源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/722306995

2025年7月，在日內瓦附近歐洲核子研究中心大型強子對撞機工作的科學家們報告稱，他們發現了另一類亞原子粒子——稱為重子的粒子家族中某一類粒子存在類似違背現象的明確證據。但科學界同樣認為，這種新觀測到的CP對稱性破壞現象幅度過小，不足以解釋物質與反物質的不平衡現象。

電子的CP宇稱對稱性

即將進行的實驗

那么中微子呢？它們是否違反了 CP 對稱性——如果是這樣，這種破壞程度是否足以解釋為何我們生活在物質主導的宇宙中？這正是新一代粒子物理實驗正在探索的核心問題。其中最具雄心壯志的當屬深地中微子實驗（DUNE），該實驗目前正在美國建設中，最早可能于2029年啟動數據采集工作。

DUNE 將采用世界上最強的中微子束，將中微子和反中微子從費米實驗室發射到位于 800 英里外的南達科他州桑福德地下研究設施。（兩者之間沒有隧道；中微子與反中微子會直接快速穿過地球，大部分情況下幾乎不受地球存在的影響。）兩端探測器將揭示粒子在穿越兩實驗室間距離時的振蕩特性——并驗證中微子與反中微子的行為是否存在差異。

DUNE實驗無法精確測定中微子CP對稱性破壞的具體數值（若存在破壞現象），但能為其設定上限值。潛在效應越顯著，中微子與反中微子行為的差異就越大，中微子導致早期宇宙物質-反物質不對稱性的可能性也就越高。

一種揭示中微子奧秘的新方式

除了本身是一項重大發現外，中微子中的CP對稱性破缺還可能挑戰標準模型，為探索其他新物理現象指明方向。理論學家指出，這意味著可能存在兩種中微子——左旋中微子（即迄今觀測到的常規輕型中微子）和更重的右旋中微子，后者目前僅是理論推測。（粒子“旋”性指其量子屬性。）

這些右旋中微子的質量可能高達質子的1015倍，且極不穩定——誕生后幾乎會立即衰變。盡管它們在當今宇宙中不復存在，但物理學家推測右旋中微子可能在大爆炸后的瞬間存在過，其衰變過程可能模擬了CP破壞現象，從而使物質的生成優于反物質。

甚至有可能中微子能充當自身的反粒子——即中微子可轉化為反中微子，反之亦然。這一假說若得到右旋中微子的發現支持，將使中微子在根本上區別于夸克和電子等更常見的粒子。若反中微子能轉化為中微子，這或許能解釋宇宙最初時刻反物質的去向。

驗證這一設想的一種方法是尋找一種理論上存在但迄今未被觀測到的特殊放射性衰變現象——即“無中微子雙β衰變”。在常規的雙β衰變中，原子核內的兩個中子會同時衰變為質子，過程中釋放出兩個電子和兩個反中微子。但若中微子能充當自身的反粒子，那么兩個中微子便會相互湮滅，最終僅留下兩個電子和一束能量。

目前有多項實驗正在進行或計劃開展，旨在探測這種衰變過程，包括：中國錦屏地下實驗室（世界上最深的地下實驗室）的PandaX實驗；位于日本神岡中微子探測站的KamLAND-Zen實驗；位于加拿大安大略省SNOLAB設施的nEXO實驗；位于西班牙坎弗蘭克地下實驗室的NEXT實驗；以及位于意大利格蘭薩索實驗 室的LEGEND實驗。其中KamL AND-Zen、NEXT和LEGEND實驗已投入運行。

盡管這些實驗在細節上有所不同，但它們都采用了相同的總體策略：使用裝滿高密度放射性物質的巨型容器，并配備探測器陣列來捕捉異常高能電子的發射。（這些電子原本伴隨的中微子將不復存在，其本應攜帶的能量則由電子承載。）

位于水池內（尚未灌水）的中心探測器（外部圖）。圖源：江門中微子實驗

盡管中微子仍是已知粒子中最神秘的存在之一，但是科學家們正以緩慢而堅定的步伐揭示它的奧秘。隨著這些秘密的逐步顯現，它或許將破解物質主導宇宙的謎題——這個宇宙恰好孕育了我們這類充滿好奇的生物。

“我認為我們正在進入一個非常激動人心的時代”——特納

作者：Dan Falk

翻譯：楠客

審校：姬子隰

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【互動問題：如果中微子真的是‘反物質消失案’的幕后主謀，你覺得它最像下面哪種臥底？為什么？

A. 隱形人——穿墻而過，從不露臉

B. 變形者——路上隨時換身份（振蕩）

C. 分身大師——自己就是自己的反粒子，正反同體】

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編輯：姬子隰

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不代表中科院物理所立場