「幽靈粒子」實驗仍兩手空空 宇宙最大謎團何時破解？

點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！

中微子是名副其實的「幽靈粒子」，它們能夠悄無聲息地穿過人體和牆壁，神不知鬼不覺。

地下1600米的義大利格蘭薩索國家實驗室，致力於探測中微子

本應各佔一半

在義大利格蘭薩索山的地下深處，一個已知宇宙內溫度最低的立方米空間，科學家正在搜尋中微子充當自己反物質粒子的證據。這就是著名的CUORE（針對罕見事件的低溫地下觀測站）實驗。中微子由宇宙輻射產生，素有「幽靈粒子」之稱。CUORE實驗得出的發現或許能夠解釋宇宙內物質與反物質的嚴重失衡現象。但迄今為止，科學家一無所獲。

低溫恆溫器中的19個CUORE塔的底視圖

最初兩個月的CUORE實驗結果並未發現「無中微子雙貝塔衰變」過程的任何線索。之所以探測這一過程是因為它證明中微子就是自身反物質粒子。如果確實發生這種衰變，那也極為罕見，平均每10到25年才發生一次。

CUORE實驗的終極目標是，揭開宇宙的一個最大謎團，一個關乎我們為何存在的謎團。之所以存在這麼一個謎團，是因為理論上的大爆炸應該讓宇宙中的物質和反物質各佔一半。兩者相遇會發生湮滅，則兩者都將不復存在。但觀測結果顯示，宇宙基本上由物質構成。科學家一直苦思反物質究竟發生了什麼。為了揭開這個謎團，他們將目光投向中微子。（根據大爆炸理論，宇宙由一個緻密熾熱的奇點於138億年前一次大爆炸後膨脹形成。）

反物質擁有與正常亞原子粒子相反的特性

什麼是中微子？

中微子是微小的基本粒子，幾乎沒有任何質量。雖然個頭不及原子，中微子卻是自然界數量最多的粒子之一。與幽靈一樣，它們能夠悄無聲息地穿過人體和牆壁，神不知鬼不覺。

絕大多數基本粒子都有與之對應的反物質粒子，被稱之為「反粒子」。反粒子與正常粒子的質量相同，但攜帶不同電荷。相比之下，中微子是粒子家族的怪客，它們幾乎沒有任何質量，也不攜帶任何電荷。據物理學家猜測，中微子就是自身的反粒子。這樣的「二合一」粒子被稱之為「馬約拉納粒子」。

研究人員正在組裝低溫保持器

法蘭克福高級研究院的理論物理學家薩比納·霍森菲爾德在接受《生活科學》雜誌採訪時表示：「我們提出的理論無法告訴我們，中微子究竟是不是馬約拉納粒子。這是一個非常有趣的問題，因為這意味著我們對中微子的認知存在空白。」霍森菲爾德所指的就是尚未得到解釋的中微子怪異特徵。他並未參與CUORE實驗。

如果中微子是馬約拉納粒子，它們就夠在物質和反物質之間切換。研究人員指出如果在宇宙誕生之初，絕大多數中微子變異成正常物質，便可以解釋為什麼當前的物質比例遠超反物質，也就解釋了我們為什麼能夠存在。

CUORE在無塵室組裝，以防止遭到污染

CUORE實驗是什麼？

在一個典型實驗室研究中微子面臨很大難度，因為它們極少與其它物質發生交互，同時也極難探測——每分鐘有數十億個中微子穿過你的身體，但你根本感覺不到它們的存在。此外，科學家也很難將它們與其它輻射源區分。這也就是為什麼物理學家需要轉入地下。為了探尋中微子，科學家將一個包裹著中微子探測器的巨型鋼球放置到地下1600米。探測器由義大利國家核物理研究所的格蘭薩索國家實驗室操作。

格蘭薩索實驗室是CUORE實驗的大本營。這項實驗致力於尋找無中微子雙貝塔衰變過程的證據。這個過程的存在能夠證明中微子充當自身反粒子。在正常的雙貝塔衰變過程中，核衰變並釋放兩個電子和兩個反中微子。無中微子雙貝塔衰變不會釋放任何反中微子，因為反中微子能夠充當自身反粒子，並彼此湮滅。

2017年10月23日，CUORE實驗拉開帷幕

為了「看到」這個過程，物理學家對一個碲同位素放射性衰變釋放的能量（熱量）進行觀測。如果發生無中微子雙貝塔衰變，會出現一個確定能量水平的峰值。為了精確探測和測量這種熱能，科學家打造了已知宇宙內溫度最低的一個立方米空間。它就像是一個巨型溫度計，擁有近1000個二氧化碲晶體，在10毫開氏度（mK）下工作，相當於零下273.14攝氏度。隨著放射性碲原子發生衰變，探測器搜尋能量峰值。

CUORE項目由200名科學家、工程師和技術人員參與，於最近公布了首批實驗結果。他們的新論文刊登在3月26日的《物理評論快報》上。論文稱兩個月過後，CUORE實驗並未發現任何無中微子雙貝塔衰變證據。未來5年，他們將繼續這項實驗，以獲取更多數據。只有實驗持續足夠長的時間，科學家才能最終排除或者發現中微子雙貝塔衰變。

科學家檢測CUORE的低溫保持器

耶魯大學教授卡斯滕·赫格在接受《生活科學》採訪時指出：「如果發現中微子就是自身反粒子，無疑具有非常重要的意義。這將迫使我們改寫已經被普遍接受的標準粒子物理學模型。我們將意識到物質可以採取一個新的不同機制擁有質量。」

CUORE項目組成員、麻省理工學院物理學助理教授林德利·溫斯羅對《生活科學》表示，即使CUORE實驗無法明確證明中微子就是自身反粒子，研究中採用的技術也可用於其它用途。他說：「將CUORE冷卻到10mK的技術，與用於冷卻量子計算機超導電路的技術相同。下一代量子計算機可能裝入CUORE型低溫保持器。可以說，我們是第一個吃螃蟹的人。」

來源：漫步宇宙

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！