尋找物理學最令人費解的謎團之一的解決方案的實驗最近已經給出了第一輪結果,為我們需要尋找證據的地方設定了新的限制。
根據我們目前對物理學的理解,物質不應該存在。事實上,它確實意味著我們的方程式中出現了一些問題,科學家們將竭盡全力來確定它到底是什麼。
目前,世界各地正在進行四項重大實驗,尋找幾乎無法察覺的粒子經歷極為罕見的變化的跡象。
為了理解為什麼值得付出努力,我們必須回到一切的開始:當亞原子粒子從構成宇宙第一次眨眼的輻射中冷卻出來時,它們採取了兩種形式中的一種——我們現在稱之為物質和。
問題是,這些鏡像相反的物體再次相遇時也會在能量閃光中抵消。簡單的數學表明,如果兩種類型的粒子以相等的數量相鄰產生我們應該一無所有。
儘管在那場大毀滅之後的 138 億年裡仍有少量反物質存在,但大多數可見物體僅由一種粒子——物質——構成。顯然,總和已經出來,很可能介於粒子的產生和消除之間。
一種稱為中微子的粒子為這個悖論提供了一個潛在的答案。
顧名思義,帶中性電荷。事實上,它們比電子輕一百萬倍,這意味著它們幾乎不與其他粒子相互作用。
但這些「幽靈粒子」的奇怪特性也意味著中微子有可能實際上是物質和反物質的結合體——有點像它們自己的鏡像。
如果它能被證明是正確的,那麼就可以解釋為什麼我們的宇宙沒有立即自我抵消。
找到答案的一種方法是尋找當中子對在某些同位素內衰變時特定量子數的守恆性。由此衰變產生的粒子總數應該達到輕子數的平衡:如果出現+1,則也應該出現-1。
在一對中子變成一對質子的同位素中,我們可以預期有兩個電子和兩個中微子。由於中微子應該具有與電子相反的輕子數,因此我們可以將這種中微子稱為反中微子。
在看不到這些反中微子的不太可能但令人興奮的情況下,輕子數規則將被打破。這會給我們一些迴旋餘地來探索如何行為可能會導致一種物質支配另一種物質。
從紙面上看,這一切都很好,但請記住,中微子到達時並不完全是揮舞著危險信號。這就是這四個實驗的用武之地。
這罕見事件低溫地下觀測站義大利格蘭薩索實驗室 (CUORE) 的基礎是 1,000 個二氧化碲晶體中的一個閃光,以宣告無中微子雙 β 衰變的時刻。
對於任何一個二氧化碲分子,我們預計這種情況每 10 七億年就會發生一次(1 後面跟著 25 個零)。即使考慮到所有這些晶體中的分子數量,他們預計在未來五年內只會看到五次衰變。
CUORE 成員林德利·溫斯洛 (Lindley Winslow) 表示:“這是一個非常罕見的過程,如果被觀察到,這將是有史以來測量過的最慢的過程。”告訴詹妮弗朱麻省理工學院新聞。
順便說一句,整個實驗保持在絕對零度以上的寒冷 6 開氏度,這也使其成為整個宇宙中最冷的立方米空間。
格蘭薩索的第二個實驗是使用同位素鍺 76。他們有較少的材料來捕捉腐爛,但整個裝置事實證明極為敏感,減少錯過事件的風險。
大西洋彼岸的新墨西哥州,濃縮氙天文台(EXO-200) 在地下 600 公尺(1970 英尺)處進行了一項基於同位素氙 136 潛在衰變的實驗。
同樣在美國桑福德地下研究設施,一個合作機構正在進行一項名為 MAJORANA Demonstrator 的實驗。這次是一塊藏在舊礦井內 1.6 公里長的岩石下的 76 鍺。
團隊最近分享了自己的分析他們的設置,並表明所有周圍的岩石都在保護他們的探測器免受可能引發誤報的雜散輻射的影響。
到目前為止,這些實驗的結果已經減少了尋找這種違反規則的異常現象的地方。這很有幫助,但並不完全是我們正在尋找的答案。
話又說回來,這只是我們所知的宇宙的存在受到威脅。所以讓我們祈禱他們在未來幾年會看到一些奇怪的事情。