“幽灵粒子”实验仍两手空空 宇宙最大谜团何时破解

　　来源：漫步宇宙

　　中微子是名副其实的“幽灵粒子”，它们能够悄无声息地穿过人体和墙壁，神不知鬼不觉。


地下1600米的意大利格兰萨索国家实验室，致力于探测中微子

　　01

　　本应各占一半

　　在意大利格兰萨索山的地下深处，一个已知宇宙内温度最低的立方米空间，科学家正在搜寻中微子充当自己反物质粒子的证据。这就是著名的CUORE（针对罕见事件的低温地下观测站）实验。中微子由宇宙辐射产生，素有“幽灵粒子”之称。CUORE实验得出的发现或许能够解释宇宙内物质与反物质的严重失衡现象。但迄今为止，科学家一无所获。


低温恒温器中的19个CUORE塔的底视图

　　最初两个月的CUORE实验结果并未发现“无中微子双贝塔衰变”过程的任何线索。之所以探测这一过程是因为它证明中微子就是自身反物质粒子。如果确实发生这种衰变，那也极为罕见，平均每10到25年才发生一次。

　　CUORE实验的终极目标是，揭开宇宙的一个最大谜团，一个关乎我们为何存在的谜团。之所以存在这么一个谜团，是因为理论上的大爆炸应该让宇宙中的物质和反物质各占一半。两者相遇会发生湮灭，则两者都将不复存在。但观测结果显示，宇宙基本上由物质构成。科学家一直苦思反物质究竟发生了什么。为了揭开这个谜团，他们将目光投向中微子。（根据大爆炸理论，宇宙由一个致密炽热的奇点于138亿年前一次大爆炸后膨胀形成。）


反物质拥有与正常亚原子粒子相反的特性

　　02

　　什么是中微子？

　　中微子是微小的基本粒子，几乎没有任何质量。虽然个头不及原子，中微子却是自然界数量最多的粒子之一。与幽灵一样，它们能够悄无声息地穿过人体和墙壁，神不知鬼不觉。

　　绝大多数基本粒子都有与之对应的反物质粒子，被称之为“反粒子”。反粒子与正常粒子的质量相同，但携带不同电荷。相比之下，中微子是粒子家族的怪客，它们几乎没有任何质量，也不携带任何电荷。据物理学家猜测，中微子就是自身的反粒子。这样的“二合一”粒子被称之为“马约拉纳粒子”。


研究人员正在组装低温保持器

　　法兰克福高级研究院的理论物理学家萨比纳?霍森菲尔德在接受《生活科学》杂志采访时表示：“我们提出的理论无法告诉我们，中微子究竟是不是马约拉纳粒子。这是一个非常有趣的问题，因为这意味着我们对中微子的认知存在空白。”霍森菲尔德所指的就是尚未得到解释的中微子怪异特征。他并未参与CUORE实验。

　　如果中微子是马约拉纳粒子，它们就够在物质和反物质之间切换。研究人员指出如果在宇宙诞生之初，绝大多数中微子变异成正常物质，便可以解释为什么当前的物质比例远超反物质，也就解释了我们为什么能够存在。


CUORE在无尘室组装，以防止遭到污染

　　03

　　CUORE实验是什么？

　　在一个典型实验室研究中微子面临很大难度，因为它们极少与其它物质发生交互，同时也极难探测――每分钟有数十亿个中微子穿过你的身体，但你根本感觉不到它们的存在。此外，科学家也很难将它们与其它辐射源区分。这也就是为什么物理学家需要转入地下。为了探寻中微子，科学家将一个包裹着中微子探测器的巨型钢球放置到地下1600米。探测器由意大利国家核物理研究所的格兰萨索国家实验室操作。

　　格兰萨索实验室是CUORE实验的大本营。这项实验致力于寻找无中微子双贝塔衰变过程的证据。这个过程的存在能够证明中微子充当自身反粒子。在正常的双贝塔衰变过程中，核衰变并释放两个电子和两个反中微子。无中微子双贝塔衰变不会释放任何反中微子，因为反中微子能够充当自身反粒子，并彼此湮灭。


2017年10月23日，CUORE实验拉开帷幕

　　为了“看到”这个过程，物理学家对一个碲同位素放射性衰变释放的能量（热量）进行观测。如果发生无中微子双贝塔衰变，会出现一个确定能量水平的峰值。为了精确探测和测量这种热能，科学家打造了已知宇宙内温度最低的一个立方米空间。它就像是一个巨型温度计，拥有近1000个二氧化碲晶体，在10毫开氏度（mK）下工作，相当于零下273.14摄氏度。随着放射性碲原子发生衰变，探测器搜寻能量峰值。

　　CUORE项目由200名科学家、工程师和技术人员参与，于最近公布了首批实验结果。他们的新论文刊登在3月26日的《物理评论快报》上。论文称两个月过后，CUORE实验并未发现任何无中微子双贝塔衰变证据。未来5年，他们将继续这项实验，以获取更多数据。只有实验持续足够长的时间，科学家才能最终排除或者发现中微子双贝塔衰变。


科学家检测CUORE的低温保持器

　　耶鲁大学教授卡斯滕?赫格在接受《生活科学》采访时指出：“如果发现中微子就是自身反粒子，无疑具有非常重要的意义。这将迫使我们改写已经被普遍接受的标准粒子物理学模型。我们将意识到物质可以采取一个新的不同机制拥有质量。”

　　CUORE项目组成员、麻省理工学院物理学助理教授林德利?温斯罗对《生活科学》表示，即使CUORE实验无法明确证明中微子就是自身反粒子，研究中采用的技术也可用于其它用途。他说：“将CUORE冷却到10mK的技术，与用于冷却量子计算机超导电路的技术相同。下一代量子计算机可能装入CUORE型低温保持器。可以说，我们是第一个吃螃蟹的人。”