宇宙中物質和反物質應該是對稱的嗎？並不是

新浪科技訊北京時間4月20日消息，據國外媒體報道，在日本一座礦山的地下洞穴裏，科學家建造了一個巨大的水箱，用來探測一種神祕的基本粒子。多年以來，這裏一直很平靜，似乎什麼都不會發生。

不過，每隔一段時間，水箱的邊緣就會出現一圈閃光，這是電子或質量更重的類似粒子（μ介子）穿過水體時所產生的信號。這些電子和介子是一種幽靈般的微小粒子撞擊水分子時產生的殘餘物，這種粒子便是中微子。

多年來，國際合作項目T2K實驗的物理學家們一直在計算這些光圈的數量。T2K的意思是東海（Tokai）到神岡（Kamioka），是位於日本的一個粒子物理學實驗。在名爲J-PARC的地下設施中，科學家通過加速器製造出高密度的μ介子中微子束，指向295公里以外的超級神岡探測器。在計算光圈的數量時，T2K實驗的物理學家對輪廓清晰和模糊的光圈進行了區分，前者由較重的μ介子穿過水體而產生，後者則是質量較小的電子的特徵。

隨着時間的推移，T2K實驗的物理學家注意到，他們的計算結果中出現了一些偏差。他們認爲，這種偏差或許有助於解釋宇宙中物質的存在。

物質和反物質應該是對稱的嗎？並不是

就在大爆炸發生後，宇宙中存在着等量的物質和反物質，這兩種物質互爲鏡像，一旦接觸就會湮滅。與氫對應的反物質是反氫。電子的反物質是帶正電荷的正電子。介子對應反介子，中微子對應反中微子，以此類推。

反物質與物質是如此相似。理論上，宇宙一開始時數量相當的物質和反物質應該簡單地相互抵消，釋放出超級明亮的光（高能光子）。但事實並非如此，確切的原因仍然是一個謎。這種“正反物質對稱性破壞”（對稱破缺）表明，這些粒子之間一定存在某些基本的差異。不對稱性可以解釋爲什麼現在的宇宙中正物質要遠遠多於反物質，而科學家已經發現了其中一種不對稱性。

夸克就體現了其中一種不對稱性，這是構成質子和中子的粒子。早在1964年，物理學家就發現了夸克和反夸克之間的細微差別。夸克是構成質子、中子和其他粒子的亞原子粒子，它們通過弱力相互作用。但是，夸克的不對稱性過於微小，不足以解釋物質的存在。宇宙中肯定還有其他不對稱的地方。

在其他一些關於不對稱性的理論中，涉及一類名爲“輕子”（lepton）的粒子。輕子是一種不參與強相互作用、自旋爲1/2的基本粒子，包括了中微子、μ介子和電子這樣的粒子。如果在輕子和其對應的反物質之間存在不對稱性，那隨着時間的推移，就可能不僅會導致物質輕子過剩，還會導致物質重子（baryon）過剩。重子是指由3個夸克組成的複合粒子，構成了一個原子的大部分質量（質子和中子）。

T2K實驗的科學家試圖在水箱中尋找輕子不對稱性的證據。物理學家認爲，當中微子從一種味“振盪”到另一種味時，輕子不對稱性就會顯現出來。

中微子可能是關鍵

中微子有三種類型（又稱三種“味”），即電中微子、μ中微子和τ中微子。每種味都有自己的反中微子。所有這些粒子——中微子和反中微子——都在振盪，意味着它們會從一種味轉變爲另一種味。一個μ中微子可以變成一個τ中微子或一個電中微子；一個反中微子也可以振盪成τ反中微子或電反中微子

然而，這些振盪需要時間。這也是T2K實驗要把中微子束加速器和水箱（即超級神岡探測器）隔開數百公里的原因。中微子束傳播的過程就給了μ中微子束振盪成爲電中微子的時間。T2K實驗尋找的就是μ中微子轉變爲電中微子的證據。

即使在這種情況下，電中微子也很難被探測到。穿過超級神岡探測器的電中微子很少會撞上水分子並轉變成電子，產生特有的模糊微光。

儘管如此，在多年的努力之後，超級神岡探測器已經探測到了中微子和反中微子的數百次振盪，足以得出一些真正的結論。

在4月15日發表在《自然》（Nature）雜誌上的一篇論文中，T2K實驗的物理學家報告稱，中微子束和反中微子束之間存在差異的置信度爲95%，這是物質-反物質不對稱性部分來自中微子的有力證據。

目前所獲得的信息還很有限。T2K實驗直接測量的所有結果都是微弱、低能量中微子行爲之間的不對稱性，爲了完全理解這種不對稱性及其對宇宙演變的影響，理論物理學家必須將這些數據外推到高能中微子上，並研究其他輕子是否也會存在類似的情況。

至於T2K合作項目，下一步將是收集更多的數據，使結果的置信度提高到95%以上。另外，在這個日本礦山中建造更先進的下一代“超巨型神岡探測器”的相關努力，以及美國正在建造的名爲“深地下中微子實驗”（DUNE）的相關物理實驗，也可能加快研究的步伐。也許在不久的未來，我們將真正解開宇宙早期物質-反物質的不對稱謎題。（任天）