粒子物理学家公布了长达十年的研究结果，带领我们朝着了解宇宙所有反物质的去向迈出了关键一步。
空荡荡的超级神冈探测器内工程师的标志性照片
图片来源：东京大学宇宙射线研究所
宇宙物质可分为两类：物质和反物质，其中每个物质粒子都有一个质量相同、电荷相反的反物质伙伴。但由于两者之间的相似性，物理学家仍然不明白为什么宇宙是由物质主宰的。实验正在努力寻找物质和反物质表现不同的地方，这是理解这个谜团的持续探索的一部分。 日本一个名为“T2K”合作项目已经公布了他们的研究结果。他们的论文没有证实中微子是否与反中微子不同，但它给了我们一些很重要的线索。
“这篇论文象征着非常重要的一步。”芝加哥大学沙丘中微子实验的联合发言人埃德布卢彻告诉吉兹莫多，“这表明实验已经提供了足够的数据，可以开始对这个参数进行重要的限制。但确定CP对称性是否会被破坏可能是一条漫长的道路，这是漫漫长路上第一个重要的步骤，CP对称性是指中微子的行为是否与反中微子不同。
如果物质和反物质是完全相同的，并且以完全相同的方式遵循物理定律，那么宇宙中就只存在光子，因为物质和反物质在接触时相互湮灭。几十年前，物理学家安德烈·萨哈罗夫提出了一个过程必须满足的三个条件，以解释物质对反物质的过量，或者简单地说，解释物质存在的原因。可能最容易找到的条件就是CP对称性的破坏，或者粒子和有着相反电荷的（即C，表示电荷）同一粒子的镜像（即P，表示奇偶性）之间的物理过程不同。基本上，CP对称性破坏过程是粒子和它们的反粒子之间表现不同的过程。
科学家在组成质子和中子的亚原子夸克类粒子中发现了一些CP对称性破坏现象，但这仍然不足以解释为什么宇宙中有这么多物质。所以他们也在轻子中寻找CP对称性的破坏，轻子包括电子和中微子。今天，日本的T2K合作小组公布了自2010年以来的数据结果，他们寻找中微子中CP对称性破坏过程的证据，而中微子是宇宙中难以探测但最丰富的物质粒子。这项实验并没有证实或否认中微子是否经历了CP破坏过程，但它给科学家们带来了希望：很快就会有答案，并证明中微子可能确实破坏了CP对称性。
T2K由位于东京以北日本东海岸的一个粒子加速器组成，它通过质子与目标碰撞产生一束中微子。这之后产生了一束其他粒子，它们衰变成一种μ子中微子。这束光束进入一个测量中微子的探测器，然后穿过地球，在近300公里（186英里）外进入一个叫做超级神冈的探测器，这个探测器装有5万吨水和敏感管，用来探测水中中微子的相互作用。在这里，研究小组测量了通过一个叫做中微子振荡的过程，有多少中微子变成了电子中微子。然后，T2K小组改变了加速器的磁场，产生了μ子反中微子而不是μ子中微子，使他们能够搜寻电子反中微子而不是电子中微子。最后，他们比较了两次测量的结果。
图为日本超级神冈探测器（SK）里的光电倍增管探测器
复杂的物理和分析意味着这个实验的结果不是一个简单的答案。结果是一个角度测量，称为CP相位。如果CP相位测量为零、180度或-180度，则中微子不违反CP对称性(即中微子和反中微子之间的情况是一样的）。如果这个角度测量是任何其它结果，它确实违反了CP对称性——中微子和它们的反粒子之间的物理定律是不同的。这项新的研究强烈排除大范围的角度，包括零，但不排除180。根据今天发表在《自然》杂志上的论文，这似乎也暗示了解释数据的最佳角度在-90左右，这是CP对称性破坏的最大值。所有这些都倾向于得出这样的结论：中微子和反中微子在某些非常重要的方面有所不同，但同样，这还不足以确定。
“这一结果，第一次通过测量中微子振荡（即通过测量μ子中微子对电子中微子振荡和μ子反中微子对电子反中微子振荡）对轻子的CP相位施加了强烈的限制，”T2K发言人一川聪告诉吉兹莫多。
统计数据支持中微子确实违反CP对称性的假设，但实验数据尚不能确定。结果越来越近了。或许更重要的是，它表明即将进行的实验，如LBNF/DUNE和超级神冈（Super-Kamiokande）的继任者 Hyper-Kamiokande，将能够在未来十年给出一个更为可靠的答案。T2K国际联合发言人Federico sanchez告诉吉兹莫多，这些实验将产生更强大的中微子束，并将与更灵敏的探测器耦合，使科学家能够更快地获取数据和产生结果。通过这些项目，研究人员将能够在一年内收集到与T2K在20年内收集到的相同数量的数据。正如物理学中的一贯情况一样，更多的数据将使科学家更接近宣布一项发现所需的严格统计阈值。桑切斯说，科学家还需要更好地模拟中微子如何与物质及其探测器相互作用的物理理论。
但即使中微子确实违反了CP对称性，那也不会是故事的结尾，这只是萨哈罗夫解释之前提到的物质反物质不对称之谜的三个条件之一。科学家必须找到其他尚未被发现的过程，如轻子或重子数破坏，本质上是描述中微子和质子的核心数以尚未被观察的方式变化的过程，如质子衰变或中微子湮灭自身。即便如此，理论家们也必须找到正确的模型，在这个模型中，这些偏差实际上导致了我们宇宙中观测到的物质和反物质之间的差异。英国达勒姆大学的物理教授西尔维亚·帕科利告诉吉兹莫多.说，观察轻子中的CP对称性破坏以及轻子数破坏，将提供间接证据，证明轻子是宇宙物质反物质不对称的罪魁祸首。
因此，探索仍在继续，而且可能会持续数十年。桑切斯对吉兹莫多说：“你必须把这个结果看作是建造一座巨大建筑的一块小石头。”“它的方向是正确的，但并没有揭开谜团。”
作者: Ryan F. Mandelbaum
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