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(2024-07-08 15:45:04)
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中微子如何为物质反物质难题提供线索
一种叫一个中微子的幽灵粒子的属性正在进入焦点。
HARD
SCIENCE
Adobe Stock / Justlight / Big Think / Vincent Romero
关键要点
在费米国家加速器实验室的研究人员一直在研究难以捉摸的亚原子粒子中微子来了解它们的振荡行为。
最近的一项实验集中在测量中微子类型的质量秩序并检查是否物质和反物质中微子以不同的频率振荡上，这可以提供宇宙的物质-反物质不平衡的探究。
为进一步这项研究，费米实验室正在开发一个更先进的实验深地下中微子实验（DUNE），目标是来加深我们的中微子属性和早期宇宙的条件的理解。
如果你去动物园，你将发现一个眼花缭乱的各种各样的动物——有些熟悉的有些完全的陌生。试图来研究物质的最小成分的研究人员是同样的。虽然质子、中子和电子是熟悉的，但亚原子动物园被许多完全不熟悉的粒子居住。在费米国家加速器实验室的研究人员最近在意大利的一次会议上宣布了的一项结果中，一种叫中微子的幽灵粒子的属性正在进入焦点。
中微子振荡
中微子是亚原子世界的幽灵，能够以刚好一个小的相互作用机会穿过整个地球。它们最常被在核反应中产生，这意味着我们每个人都遭遇一个来自最大核反应堆太阳的中微子的稳定雨。每一秒某些像1000亿个中微子的东西穿过你。这听起来很可怕，但中微子的与物质相互作用的低概率意味着在你的一生期间也许只有一个中微子将停在你的体内。
科学家们知道三种类型的中微子，每种中微子都相关有一个“表亲”带电粒子，其中最熟悉的被称为电子。其它的叫μ介子和τ轻子的粒子本质上是在一秒的一个分数内衰变的不稳定的和重的电子。这三种不同类型的中微子被称为电子中微子、μ介子中微子和τ中微子。
中微子有一个独特的它们实际上能转化成彼此的属性，意味着在再变成一个电子中微子来再开始整个这一过程之前一个电子中微子能变成一个μ介子中微子并然后变成一个τ中微子。这个过程被称为中微子振荡。这种转变属性的暗示早在20世纪60年代被看到，尽管它都不是直到来自1998年至2001年的几次观测为止科学家们确信它发生了。
NOνA
从那时起研究人员已经用粒子加速器创造了中微子束来更好理解中微子振荡。使用这种技术的一个这样的实验被称为NOνA（NUMI离轴对出现发音为“nova”）。 NOνA从费米实验室（刚好芝加哥以西）向在500英里外明尼苏达州阿什河的一个等待探测器发射一束μ介子中微子。NOνA探测器探测电子和μ介子中微子。给定初始光束是μ介子中微子，如果电子中微子被探测到，这是一个已经在三毫秒内发生让中微子来做出这个旅行的振荡的量的测量。
虽然NOνA合作研究涉及中微子物理学的各种参数，但最近的宣布集中在两个参数上。第一个涉及研究三种中微子的质量。也许令人惊讶的是科学家们并不知道单个中微子类型的质量。他们确实知道的是各种中微子类型之间的质量差异。甚至更技术的：他们知道中微子类型的质量的平方差（m122=m12-m22）。
研究人员早就知道两种中微子的质量彼此是相似的（1和2），而第三种中微子（3）有一个与其它两种中微子重大不同的质量。然而，不知道的是是1和2比3更轻（正常排序）还是1和2比3 更重（逆排序）。
自然的规律是包括正序还是逆序对科学家们是感兴趣的，因为它将帮助我们决定几种可能的理论中的哪一种描述我们的宇宙。例如，许多大统一理论有利于正常排序，而其他理论喜欢反向混合。NOνA的数据以一个7:1的概率因子略微有利于正常排序，尽管答案不是明确的。
此外，NOνA的研究人员正在研究是否物质和反物质中微子以相同的频率振荡。尽管最简单的中微子振荡模型提示两者应该是相同的，但该理论允许差异。如果物质和反物质中微子不一样的振荡，这可能是一条非常重要的线索——一个可以解决现代物理学最大谜团之一的线索。
爱因斯坦的方程E=mc^2隐含质量能转化成能量，反之亦然。然而，当能量转化为物质时一个相等量的反物质一定被创造。这种行为已经在无数的实验中被证实。
爱因斯坦的工作也导致大爆炸的理论，它告诉我们宇宙从前是更小、更热并充满能量。随宇宙扩张了和冷却了，其中一些能量应该已经转化为等量的物质和反物质。然而，我们观察到的宇宙完全单单由物质组成。这导致一个非常重要的问题：反物质在哪里？
寻找反物质
对这个问题一个可能答案依赖于一种叫轻子创世论的理论，该理论说在早期宇宙的中微子种群中的一个小不平衡解释我们今天看到的大物质-反物质不平衡。轻子创世论理论依赖于在物质和反物质中微子的振荡行为中有一个差异。
因为为什么我们的宇宙被物质统治的问题在物理学中是重要的，费米实验室研究人员正在建立一个更强大的实验来研究这种行为。这项名为深地下中微子实验（DUNE）将从费米实验室向800英里以西的一个实验室发射一束中微子。叫斯坦福地下研究机构（SURF）的该实验室位于南达科他州里德的一个废弃金矿地下一英里处。深地下中微子实验是一个比NOνA更大、更复杂的实验并被预计朝向本十年末开始运行。
https://bigthink.com/hard-science/how-neutrinos-offer-clues-to-the-universes-matter-antimatter-puzzle/
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