眾所周知，宇宙誕生于一次大爆炸。

然而大爆炸之后發(fā)生了什么，人類到現(xiàn)在也沒完全搞清楚。

比如說，我們發(fā)現(xiàn)的物理規(guī)律是對稱的，那么對稱的定律就會讓大爆炸產(chǎn)生的正物質(zhì)和反物質(zhì)一樣多。

但正物質(zhì)和反物質(zhì)遇到一起就“灰飛煙滅”，所以如果正反物質(zhì)一樣多，宇宙不會有質(zhì)子電子，更不會有原子，更不會有生命誕生。

究竟是什么打破了宇宙的對稱性？

在解開這一重要謎題的道路上，今天，人類又邁出了重要一步：

人們已經(jīng)找到了正物質(zhì)最終如何擊敗反物質(zhì)的原因之一。

來自日本、美國、俄羅斯等12國的T2K團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過十年的累計(jì)觀察發(fā)現(xiàn)，是中微子打破了這種對稱性，而宇宙終極的不對稱性可能就藏在中微子的不對稱中。

這一爆炸性的最新研究，登上了最新一期Nature封面。

什么是中微子

為了搞清楚這個問題，首先讓我們來了解一下什么是中微子？

任何物理現(xiàn)象都應(yīng)該滿足的能量、動量、角動量守恒定律，核反應(yīng)也不例外，但是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，原子核的β衰變（放出一個電子）似乎并不滿足。

△氣泡室中觀測到的中微子

為了解釋這一現(xiàn)象，物理學(xué)家泡利提出原子核在裂變中還會放出一種很難探測到的不帶電粒子。

由于人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種不帶電的中性粒子，叫做中子。這種不帶電更輕的粒子，只能被叫做“微小的中子”，也就是中微子。

值得一提的是，中國物理學(xué)家王淦昌在1941年提出了一種探測中微子的方法，但是當(dāng)時的中國還在抗戰(zhàn)中，根本沒有實(shí)驗(yàn)條件。之后被另外兩位美國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，并獲得了諾貝爾獎。

在我們的生活中，中微子可以說是無處不在，比陽光還要常伴。

因?yàn)樽畲蟮闹形⒆釉淳褪翘?，太陽是個巨大的核反應(yīng)堆，核聚變會產(chǎn)生大量的中微子。

而每秒通過我們身體的就有幾萬億個。不過不必?fù)?dān)心輻射問題，因?yàn)橹形⒆雍臀镔|(zhì)的相互作用極弱，乃至可以輕松穿過一千個地球，所以對你身體幾乎不會有任何影響。

最初，科學(xué)家們根據(jù)太陽模型計(jì)算出中微子數(shù)量，和地球上探測到的數(shù)量存在巨大差異。差了多少呢？后者只有前者的1/3，剩下的2/3到哪里去了？

考慮到地球和太陽之間幾乎是空無一物的真空，顯然中微子不可是被什么東西擋住了，況且中微子的穿透力還這么強(qiáng)。

后來科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)中微子總共有三種“味道”：電子中微子、μ子中微子、τ子中微子。它們分別在電子、μ子、τ子參與的核反應(yīng)中產(chǎn)生，也只能和對應(yīng)的粒子反應(yīng)。

這三種中微子在接近光速飛行的途中可以相互轉(zhuǎn)換，物理學(xué)家把這種現(xiàn)象叫做中微子振蕩。

太陽內(nèi)的核反應(yīng)只能產(chǎn)生電子中微子，它在飛向地球的過程中，有2/3變成了μ子中微子和τ子中微子。

而我們過去的實(shí)驗(yàn)方法只能探測到電子中微子，所以就漏掉了另外的2/3。

“挖坑灌水”找中微子

既然中微子和物質(zhì)之間的作用這么弱，我們又如何找到它？

科學(xué)家給出的方法是“加大劑量”。

中微子和物質(zhì)原子產(chǎn)生相互作用是一個小概率事件，如果我們用足夠的原子去“捕捉”中微子，總會有那么幾個被發(fā)現(xiàn)的。

T2K實(shí)驗(yàn)采用的探測器，就是日本超級神岡探測器（Super-K）。

超級神岡探測器位于1000米深的地下，由一座廢棄的砷礦改造而成。

超級神岡是一個高41.4米、直徑39.3米的不銹鋼圓柱體“巨型水箱”，里面裝著5萬噸超純水。

△超級神岡探測器內(nèi)部

之所以選這么深，是為了讓地球的巖層屏蔽掉其他射線粒子，而中微子穿透力最強(qiáng)，最后到達(dá)探測器的就幾乎只剩它了。

簡而言之，超級神岡就是“挖坑”和“灌水”。

為了發(fā)現(xiàn)為數(shù)不多被捕獲的中微子，超級神岡內(nèi)部裝有11146個光電倍增管。

△超級神岡內(nèi)的光電倍增管

當(dāng)中微子和水中的原子核與電子發(fā)生反應(yīng)后，就可能產(chǎn)生高能的電子或正電子，速度甚至超過了水中的光速。

當(dāng)電子或正電子在水中以這么高的速度前進(jìn)時，就會在粒子后方的尾巴上產(chǎn)生切連科夫輻射。浸在水中的核反應(yīng)堆發(fā)出的幽幽藍(lán)光，就是這種輻射。

△核反應(yīng)堆產(chǎn)生的切連科夫輻射

輻射中的光子射入光電倍增管中，就會產(chǎn)生電子，電子在電場中加速，從而產(chǎn)生更多的電子，像雪崩一樣，最終產(chǎn)生可以探測到的電流。

通過不同位置光電倍增管的電信號數(shù)據(jù)，科學(xué)家們就可以確定中微子的入射方向和“味道”。

在這次Nature的封面文章之前，超級神岡在物理學(xué)歷史上可謂大名鼎鼎、屢立奇功，共產(chǎn)生了兩個諾獎級的研究成果。

日本物理學(xué)家小柴昌俊因?yàn)橛贸壣駥谔綔y宇宙中微子方面做出的貢獻(xiàn)，獲得了2002年的諾貝爾物理學(xué)獎。

另一位日本物理學(xué)家梶田隆章因?yàn)橛贸壣駥鞍l(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，證明了中微子具有質(zhì)量”，獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎。

原來中微子不對稱

說了這么多，中微子和宇宙的起源又有什么關(guān)系呢？

前蘇聯(lián)原子物理學(xué)家安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）曾就宇宙物質(zhì)起源問題提出過一種機(jī)制。

他猜想的原因之一，就是物質(zhì)和反物質(zhì)的對稱性并不完美，分子表現(xiàn)出的特性略有不同。這種差異可能導(dǎo)致宇宙大爆炸后的冷卻過程中，物質(zhì)過剩。

如果宇宙后來的正反物質(zhì)不一樣多，就需要滿足“薩哈羅夫條件”，其中的重要一條就是CP對稱性的破壞。

CP對稱性的意思是，把一個粒子的電荷換成與之相反的電荷，同時把粒子的自旋（自轉(zhuǎn)方向）翻轉(zhuǎn)過來，物理定律應(yīng)該保持不變。

如果正反物質(zhì)不一樣多，必須在宇宙誕生初期CP對稱性被破壞。

其實(shí)1960年代以來，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了CP對稱性破壞，但多是其他一些較少見的粒子。

科學(xué)家們期望著有更大的CP不對稱被發(fā)現(xiàn)，直到最新中微子實(shí)驗(yàn)結(jié)果的發(fā)表。

而來自T2K合作組織的這項(xiàng)最新研究成果，在極大程度上滿足了這一假設(shè)條件。

T2K使用日本質(zhì)子加速研究中心（J-PARC）加速器產(chǎn)生的μ子中微子和μ子反中微子束，研究這些粒子和反粒子如何分別轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮又形⒆雍碗娮臃粗形⒆印?/p>

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到，長基線中微子和反中微子振蕩的測量結(jié)果顯示，中微子比反中微子具有更高的震蕩概率。

這種差異由CP破壞相角表示。如果相角為0，并且中微子和反中微子的行為相同，則該實(shí)驗(yàn)將檢測到大約68個電子中微子和20個電子反中微子。

事實(shí)卻并非如此。最終，T2K探測到了90個電子中微子和15個電子反中微子。

也就是說，在300公里的行程中，中微子改變“味道”的可能性更高，而反中微子的這一概率則相應(yīng)地低于預(yù)期。中微子和它的反粒子振蕩概率不一樣。

這是人類首次捕捉到中微子中的CP破壞現(xiàn)象。

在中微子中發(fā)現(xiàn)CP對稱性破壞，暗示著更大的不對稱性正在早期的宇宙中發(fā)揮作用。但中微子本身還是太渺小了，無法完成這項(xiàng)工作。

但是三種“味道”的中微子都可能與一種叫做“惰性中微子”的暗物質(zhì)聯(lián)系在一起，它們之間的相互作用會打破宇宙的平衡。

日內(nèi)瓦大學(xué)物理學(xué)家，T2K合作組織發(fā)言人費(fèi)德里克·桑切斯（Federico Sánchez）這樣說道：

我們第一次捕獲到中微子中，CP破壞的現(xiàn)象。是一個真正的里程碑。

同時，也高度證明了，中微子和反中微子的行為是不同的。

這一點(diǎn)同樣是個大突破——盡管人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他粒子中有物質(zhì)-反物質(zhì)差異，但那些差異太小了，并不足以解釋現(xiàn)實(shí)宇宙存在的現(xiàn)象。

下一步實(shí)驗(yàn)，需要收集足夠的數(shù)據(jù)來證實(shí)這一新發(fā)現(xiàn)。

因?yàn)楫?dāng)前T2K的結(jié)果出于統(tǒng)計(jì)意義的3σ水平，如果完全排除物質(zhì)-反物質(zhì)對稱性，置信度會下降到2σ。而粒子物理學(xué)研究中，通常要求置信度為5σ。

德國馬克斯-普朗克核物理研究所的中微子物理學(xué)家Werner Rodejohann對此持樂觀態(tài)度，因?yàn)樵谧匀唤缰校形⒆雍头粗形⒆尤绱瞬煌?，這將使證據(jù)累積的速度比預(yù)計(jì)快數(shù)年。

桑切斯也說，盡管目前的發(fā)現(xiàn)尚未滿足解決物質(zhì)起源問題的所有條件，“但顯然正在朝正確的方向行進(jìn)”。

而目前的結(jié)果，對下一步的研究有至關(guān)重要的指導(dǎo)意義。

不過，要達(dá)到5σ水平，僅靠T2K實(shí)驗(yàn)是不太可能的。

所幸，物理學(xué)家們或許能在下一代中微子探測器中找到答案，即將投入使用的此類探測器包括：

中國的JUNO，計(jì)劃在2022年投入使用；

美國的DUNE，計(jì)劃在2025年開始使用；

位于超級神岡附近的Hyper-Kamiokande，預(yù)計(jì)于2027年開始使用。

下面簡單介紹一下T2K合作項(xiàng)目。

T2K的意思是東海（Tokai）到神岡（Kamioka），是日本的一個國際性粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，參與的國家包括日本、加拿大、法國、德國、意大利、韓國、波蘭、俄羅斯、西班牙、瑞士、美國和英國。

T2K實(shí)驗(yàn)旨在研究中微子在傳播過程中如何從一種味道變?yōu)榱硪环N味道。中微子束自日本東海岸的J-PARC加速器產(chǎn)生，并被引導(dǎo)到日本西部山區(qū)的超級神岡中微子探測器，中微子束強(qiáng)度和成分的變化，能提供有關(guān)中微子性質(zhì)的信息。

中微子的其他趣聞

最后，還有一事值得分享。

中微子，一直是粒子物理學(xué)界的研究熱點(diǎn)。

關(guān)于中微子的研究，還發(fā)生過許多有趣的故事。

比如去年11月，天才數(shù)學(xué)家陶哲軒破天荒和三位素昧平生的物理學(xué)家，一起發(fā)表了一個簡單方程式，求解特征向量的數(shù)學(xué)論文，事情的起因就是中微子振蕩研究。

三位物理學(xué)家在計(jì)算中微子振蕩概率的時候發(fā)現(xiàn)：特征向量和特征值的幾何本質(zhì)，其實(shí)就是空間矢量的旋轉(zhuǎn)和縮放。而中微子的三個味（電子，μ子，τ子），不就相當(dāng)于空間中的三個向量之間的變換嗎？

還有“中微子超光速”烏龍記。

2011年9月，意大利OPERA研究組在歐洲核子中心宣布：他們在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)中微子的速度“跑”過了光速。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了愛因斯坦狹義相對論中“光速不可超越”的理論基礎(chǔ)，引起極大關(guān)注。

不過，2012年初，研究人員發(fā)現(xiàn)其實(shí)是設(shè)備硬件問題造成了“超光速”的結(jié)果，鬧了個大烏龍。

接下來，為了更精確的結(jié)果，各國的科學(xué)家們還要繼續(xù)挖更大的坑、灌更多的水。

中微子和超級神岡是否會成就下一個諾貝爾獎呢？