行為奇特的中微子能解釋宇宙中物質的存在嗎？

科學家沉醉於探索未知的奧祕，而如果奧祕越大，他們的熱情就越高。科學上有太多未解之謎，但如果要說最巨集大的謎題是什麼，那估計很少能超過“宇宙為什麼存在？”這一問題。這聽起來似乎是一個哲學問題，但其實是一個非常適合科學探究的問題。

更具體來說，這個問題是“為什麼宇宙由物質組成，這些物質使人類生命成為可能，甚至使我們能問出這個問題？”在日本從事研究的科學家於上個月宣佈了一項測量的結果，似乎直接解決了這一最令人著迷的問題。他們的測量結果看起來與目前理論的最簡單期望不符，卻很有可能指向了這一永恆問題的答案。

他們的測量結果似乎表明，對於一組特定的亞原子粒子，物質和反物質的作用是不同的。

物質vs反物質

利用位於日本東海市的J-PARC加速器，科學家向超級神岡探測器發射了一束幽靈般的亞原子粒子——中微子及其反物質對應物（反中微子）。該實驗被稱為“T2K”（意為從東海向神岡），旨在確定我們的宇宙為什麼是由物質構成的。中微子會表現出一種奇特的行為——稱為“中微子振盪”——而該行為或許能為解決這一棘手問題提供線索。

宇宙為什麼由物質構成？在科學家看來，這個奇怪問題背後，其實有著很合理的成分，因為在我們已知存在的物質之外，還存在著反物質。

1928年，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）提出了存在反物質的觀點。等量的物質與反物質結合，會導致湮滅，同時釋放出大量能量。而且，由於物理學原理通常反過來也同樣有效，因此如果有巨大的能量，還可以轉化為完全相等的物質和反物質。美國物理學家卡爾·安德森（Carl Anderson）在宇宙射線中發現了正電子，證實了反物質的存在。此後將近一個世紀的時間裡，物理學家對反物質的性質進行了廣泛的研究。

然而，所謂“完全等量”的說法正是難題的癥結所在。在大爆炸之後的短暫時間裡，宇宙充滿了能量。隨著宇宙的膨脹和冷卻，這些能量應該轉化為等量的物質和反物質亞原子粒子，後者應該是今天能觀察到的。然而，我們的宇宙基本上完全由物質構成，這怎麼可能呢？

科學家通過計算宇宙中原子的數量，並與我們所見的能量進行比較，確定這種“完全等量”的說法並不完全正確。不知何故，在宇宙誕生後約萬億份之一秒時，自然法則向物質這邊稍微傾斜了一下。對於每3，000，000，000個反物質粒子，就有3，000，000，001個對應的物質粒子。30億個物質粒子和30億個反物質粒子結合並湮滅，釋放出能量，剩餘的物質粒子組成了我們今天所見到的宇宙。

在將近一個世紀前理解了這一謎題之後，物理學家便一直在研究物質和反物質，試圖在亞原子粒子中發現可以某些行為，來解釋為什麼物質會多於反物質。他們確信物質和反物質的數量是相等的，但也觀察到一類被稱為夸克的亞原子粒子表現出略微偏向物質（而非反物質）的行為。對這一行為的測量十分微妙，涉及到一類被稱為K介子的粒子，它可以從物質轉變為反物質，然後再轉變回來。但是，與反向過程相比，從物質轉變為反物質的情況略有不同。這一現象——CP對稱被破壞——出乎科學界的意料，並且使發現該現象的物理學家獲得了1980年的諾貝爾物理學獎。然而，這一現象發生的程度還不足以解釋為什麼物質在今天的宇宙中占主導地位。

幽靈般的中微子束

因此，科學家將注意力投向了中微子，觀察它們的行為是否能解釋多餘的物質。中微子是亞原子世界中的幽靈，只通過弱核力相互作用，能夠在穿過物質的同時幾乎不與其發生相互作用。中微子可以通過放射性衰變和核反應等方式產生，而太陽內部時時刻刻都在發生著核反應。據計算，地球面向太陽區域每秒鐘在每平方釐米上都會穿過大約650億個來自太陽的中微子。如果你想讓自己免受一半太陽中微子的影響，就需要一塊厚度達5光年的固體鉛。中微子確實不怎麼會與物質粒子相互作用。

在1998年至2001年間，一系列實驗——有的使用超級神岡探測器，有的使用加拿大安大略省薩德伯裡中微子觀測站的探測器（SNO探測器）——證實，中微子還具有另一種令人驚奇的行為：它們能改變自己的“身份”。

物理學家知道中微子可以分為三種，即有三種“味”：電中微子、μ中微子和τ中微子。電中微子總是伴隨著電子，而μ中微子和τ中微子非常像電子，但更重且不穩定。這三種中微子可以互相轉化，科學家將這種轉化過程稱為“中微子振盪”。

中微子振盪是一種獨特的量子現象。想象一下，你買了一個香草冰淇淋，當你去拿了一把勺子回來後，發現冰淇淋變成了一半香草和一半巧克力的口味。中微子的轉化過程是從一個味變成不同味的混合，再變成完全不同的味，之後又轉變為原來的味。

反中微子振盪

中微子是物質粒子，但反物質中微子即“反中微子”也是存在的。這又引出一個非常重要的問題。存在中微子振盪，那麼反中微子也會振盪嗎？它們振盪的方式與中微子相同嗎？第一個問題的答案是肯定的，反中微子也會振盪，但第二個問題目前還沒有答案。

讓我們更全面地考慮這個問題，不過是以簡化的方式：假設只有兩種中微子——μ中微子和電中微子；進一步假設有一束純粹的μ中微子。中微子以特定的速度振盪，並且由於傳播速度接近光速，它們的振盪會呈現為一個與距離有關的函式。因此，在某一距離上，一束純粹的μ中微子會看起來像是μ中微子和電中微子的混合，然後在另一距離上又變成純粹的電中微子，之後又重新轉變為純粹的μ中微子。反中微子的轉變過程也是如此。

然而，如果中微子和反中微子以略微不同的速率振盪，那你就會發現，如果你與一束純μ中微子或μ反中微子產生位置的距離是固定的，那麼在中微子的情況下，你會看到μ中微子和電中微子的混合；但是在反中微子的情況下，你看到的是另一種反物質μ中微子和電中微子的混合。實際的情況很複雜，因為存在三種中微子，而且它們的振盪取決於粒子束的能量。

對中微子和反中微子不同振盪頻率的觀測將是理解宇宙為什麼由物質組成這一問題的重要一步。這並不是故事的全部，因為其他新的現象也必須成立，但中微子和反中微子之間的差異對解釋宇宙中為何物質更多的問題是必要的。

在目前描述中微子相互作用的主流理論中，有一個變數對中微子和反中微子存在不同振盪方式的可能性很敏感。如果該變數為0，則這兩類粒子以相同的速率振盪；如果該變數不是0，則兩類粒子有不同的振盪方式。

當T2K實驗測量這一變數時，研究人員發現它與中微子和反中微子具有相同振盪方式的假說不一致。從技術上說，他們確定了這個變數的一系列可能值。該變數的真實值落在可能值範圍內的概率是95%，在範圍之外的概率則只有5%。因此，振盪方式“無差別”的可能性只有不到5%。

簡單來說，目前的測量結果表明，中微子和反中微子有著不同的振盪方式，儘管測量精度還無法達到做出確定結論的水平。事實上，批評者指出，應該以非常非常懷疑的態度來審視這種統計顯著性水平的測量結果。無論如何，這肯定是一個極具轟動效應的初步結果，整個科學界都非常樂於見到更加完善和精確的研究。

T2K實驗將繼續記錄其他資料，希望能進行更加精確的測量。不過，進行該實驗的科學家並不孤獨。在芝加哥郊外的費米實驗室，物理學家正在進行一項名為NOVA的類似實驗。通過嚮明尼蘇達州北部發射中微子和反中微子，他們希望擊敗T2K實驗。而且，展望未來，費米實驗室還在努力開展一項“旗艦”實驗，即“深地下中微子實驗”（Deep Underground Neutrino Experiment，簡稱DUNE）。該實驗將具有更強大的能力來研究這一重要現象。

儘管T2K實驗的結果還不是決定性的，需要謹慎看待，但該實驗無疑令人興奮。面對宇宙中似乎極少有反物質這一巨集大的問題，科學界將熱切期待更新進展的出現。