北京時(shí)間2月5日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，多年以來(lái)，一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)一直駐守在意大利中部一座山脈的地下實(shí)驗(yàn)室，收集宇宙神秘物質(zhì)中微子的相關(guān)證據(jù)。如果得以證實(shí)，該發(fā)現(xiàn)將揭開困擾物理學(xué)家數(shù)十年的宇宙謎團(tuán)——物質(zhì)為什么會(huì)存在?

科學(xué)家一直認(rèn)為物質(zhì)有一個(gè)被稱為反物質(zhì)的“孿生兄弟”，對(duì)于宇宙中每一個(gè)基本粒子而言，都存在著一種反粒子，它與同胞粒子具有相同質(zhì)量，但是電荷相反，當(dāng)粒子和反粒子正面接觸時(shí)，就會(huì)相互湮滅，產(chǎn)生純凈能量。

物質(zhì)與反物質(zhì)具有完全對(duì)稱性

美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)物理學(xué)教授托馬斯·奧唐奈爾(Thomas O‘Donnell)稱，物質(zhì)和反物質(zhì)之間存在明顯的完全對(duì)稱性，這意味著一個(gè)物質(zhì)形成，就會(huì)產(chǎn)生平衡性的反物質(zhì)，該物質(zhì)摧毀之時(shí)，其反物質(zhì)也遭受摧毀。如果該理論是正確的，那么一種類型的物質(zhì)存在，就必然相應(yīng)地存在一種反物質(zhì)。

這種對(duì)稱性與當(dāng)前人類對(duì)宇宙起源論的理解相悖，依據(jù)大爆炸理論，當(dāng)宇宙在138億年前從一個(gè)無(wú)限小的奇點(diǎn)開始膨脹時(shí)，就有等量的物質(zhì)和反物質(zhì)存在。目前，當(dāng)天文學(xué)家觀測(cè)宇宙空間時(shí)，發(fā)現(xiàn)宇宙幾乎完全是由物質(zhì)構(gòu)成，而卻未發(fā)現(xiàn)任何反物質(zhì)，更令人糾結(jié)的是，如果大爆炸理論是正確的，那么我們?nèi)祟惥筒粦?yīng)該存在。

奧唐奈爾說(shuō)：“如果物質(zhì)和反物質(zhì)完全遵循這種對(duì)稱性，那么隨著宇宙不斷進(jìn)化，所有的物質(zhì)和反物質(zhì)都將湮滅成光子，恒星、行星，甚至人類細(xì)胞是不會(huì)存在的!這里存在一個(gè)問(wèn)題：在宇宙進(jìn)化過(guò)程中，是否違背了物質(zhì)與反物質(zhì)的對(duì)稱體系?”

這個(gè)問(wèn)題正是奧唐奈爾和同事們想要解答的，在過(guò)去兩年里，他們收集分析了意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“罕見事件低溫地下觀測(cè)實(shí)驗(yàn)(CUORE)”的分析數(shù)據(jù)，搜尋能解開宇宙謎團(tuán)的確鑿證據(jù)。

中微子謎團(tuán)

CUORE一詞在意大利語(yǔ)中是心臟的意思，CUORE實(shí)驗(yàn)致力于搜尋叫做中微子的亞原子粒子，并試圖證實(shí)中微子是反粒子，物理學(xué)家將中微子稱為“馬納拉那粒子(Majorana particle)”。中微子像幽靈一樣穿過(guò)大多數(shù)物質(zhì)，并且極難被探測(cè)到，事實(shí)上，依據(jù)美國(guó)宇航局的觀點(diǎn)，太陽(yáng)每秒釋放數(shù)萬(wàn)億個(gè)中微子，一些中微子會(huì)穿過(guò)人類身體。

CUORE實(shí)驗(yàn)搜尋的是馬納拉那中微子相互湮滅跡象，該過(guò)程被稱為“無(wú)中微子雙貝塔衰變”。在普通的雙貝塔衰變過(guò)程中，原子核中的兩個(gè)中子同時(shí)轉(zhuǎn)變成兩個(gè)質(zhì)子，釋放出一對(duì)電子和反中微子，該原子核事件雖然非常罕見，每隔100千萬(wàn)億年才發(fā)生一次，但該現(xiàn)象已在現(xiàn)實(shí)生活中觀察到。

然而，如果研究人員的理論是正確的，并且中微子是真正的馬納拉那粒子(一種反粒子)，那么在衰變過(guò)程中產(chǎn)生的兩個(gè)反中微子就會(huì)相互湮滅，產(chǎn)生一個(gè)沒(méi)有中微子的雙貝塔衰變。最終的結(jié)果呢?該過(guò)程僅產(chǎn)生電子，它們是“普通物質(zhì)”，如果這一過(guò)程被證明是正確的，那么它可能就是早期宇宙散播普通物質(zhì)的原因，然而，科學(xué)家評(píng)估稱，無(wú)中微子的雙貝塔衰變(如果它真實(shí)存在的話)，可能每隔10^25年才發(fā)生一次。

奧唐奈爾說(shuō)：“我們真正希望看到的是無(wú)中微子模式，它將打破常規(guī)理論，在沒(méi)有反物質(zhì)的情況下可產(chǎn)生物質(zhì)，這將是揭曉物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性的第一個(gè)重要線索。”

CUORE探測(cè)器以熱量的形式，從碲原子放射性衰變過(guò)程中產(chǎn)生的電子中尋找能量信號(hào)，無(wú)中微子的雙貝塔衰變將在電子能量譜中留下一個(gè)獨(dú)特、可區(qū)分的峰值。

CUORE項(xiàng)目技術(shù)管理員卡洛·布奇(Carlo Bucci)在一份聲明中稱，從本質(zhì)上講，CUORE探測(cè)器是世界上最靈敏的溫度計(jì)之一，經(jīng)過(guò)十幾年的組裝，該設(shè)備保持宇宙最低溫度，它是由988塊立方晶體構(gòu)成，每個(gè)立方晶體是由二氧化碲材料制造。

該探測(cè)器溫度保持在零下273攝氏度，為了保護(hù)該實(shí)驗(yàn)免遭外部粒子(例如：宇宙射線)的干擾，探測(cè)器包裹在較厚的高純度鉛層中。

盡管研究團(tuán)體取得了技術(shù)升級(jí)突破，但是發(fā)現(xiàn)無(wú)中微子事件并非簡(jiǎn)單的事情，自2017年得出初步結(jié)果以來(lái)，研究人員收集的數(shù)據(jù)增加3倍多，這是迄今為止此類粒子探測(cè)器收集最多的數(shù)據(jù)，但結(jié)果顯示并未發(fā)現(xiàn)無(wú)中微子雙貝塔衰變的證據(jù)。

目前，研究小組認(rèn)為，中微子至少比電子輕500萬(wàn)倍，他們計(jì)劃在最初5年運(yùn)行后對(duì)CUORE項(xiàng)目進(jìn)行升級(jí)，并引入一種新型晶體，他們希望該晶體將大幅提高靈敏度。

奧唐奈爾說(shuō)：“如果歷史可以很好地預(yù)測(cè)未來(lái)，那么我們可以非?？隙ǖ刂v，突破探測(cè)技術(shù)的極限將使我們更深入地觀測(cè)中微子，希望我們能夠發(fā)現(xiàn)無(wú)中微子的雙貝塔衰變過(guò)程，或獲得一些更奇特、更意想不到的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”(葉傾城)