寻找物理学最令人费解的谜团之一的解决方案的实验最近已经给出了第一轮结果,为我们需要寻找证据的地方设定了新的限制。
根据我们目前对物理学的理解,物质不应该存在。事实上,它确实意味着我们的方程中出现了一些问题,科学家们将竭尽全力来确定它到底是什么。
目前,世界各地正在进行四项重大实验,寻找几乎无法察觉的粒子经历极其罕见的变化的迹象。
为了理解为什么值得付出努力,我们必须回到一切的开始:当亚原子粒子从构成宇宙第一次眨眼的辐射中冷却出来时,它们采取了两种形式中的一种——我们现在称之为物质和。
问题是,这些镜像相反的物体再次相遇时也会在能量闪光中抵消。简单的数学表明,如果两种类型的粒子以相等的数量相邻产生我们应该一无所有。
尽管在那场大毁灭之后的 138 亿年里仍有少量反物质存在,但大多数可见物体仅由一种粒子——物质——构成。显然,总和已经出来,很可能介于粒子的产生和消除之间。
一种称为中微子的粒子为这个悖论提供了一个潜在的答案。
顾名思义,带中性电荷。事实上,它们比电子轻一百万倍,这意味着它们几乎不与其他粒子相互作用。
但这些“幽灵粒子”的奇怪特性也意味着中微子有可能实际上是物质和反物质的结合体——有点像它们自身的镜像。
如果它能被证明是正确的,那么就可以解释为什么我们的宇宙没有立即自我抵消。
找到答案的一种方法是寻找当中子对在某些同位素内衰变时特定量子数的守恒性。由这种衰变产生的粒子总数应该达到轻子数的平衡:如果出现+1,则也应该出现-1。
在一对中子变成一对质子的同位素中,我们可以预期有两个电子和两个中微子。由于中微子应该具有与电子相反的轻子数,因此我们可以将这种中微子称为反中微子。
在看不到这些反中微子的不太可能但令人兴奋的情况下,轻子数规则将被打破。这会给我们一些回旋余地来探索如何行为可能会导致一种物质支配另一种物质。
从纸面上看,这一切都很好,但请记住,中微子到达时并不完全是挥舞着危险信号。这就是这四个实验的用武之地。
这罕见事件低温地下观测站意大利格兰萨索实验室 (CUORE) 的基础是 1,000 个二氧化碲晶体中的一个闪光,以宣告无中微子双 β 衰变的时刻。
对于任何一个二氧化碲分子,我们预计这种情况每 10 七亿年就会发生一次(1 后面跟着 25 个零)。即使考虑到所有这些晶体中的分子数量,他们预计在未来五年内也只会看到五次衰变。
CUORE 成员林德利·温斯洛 (Lindley Winslow) 表示:“这是一个非常罕见的过程,如果被观察到,这将是有史以来测量过的最慢的过程。”告诉詹妮弗朱麻省理工学院新闻。
顺便说一句,整个实验保持在绝对零以上的寒冷 6 开氏度,这也使其成为整个宇宙中最冷的立方米空间。
格兰萨索的第二个实验是使用同位素锗 76。他们有较少的材料来捕捉腐烂,但整个装置事实证明极其敏感,减少错过事件的风险。
大西洋彼岸的新墨西哥州,浓缩氙天文台(EXO-200) 在地下 600 米(1970 英尺)处进行了一项基于同位素氙 136 潜在衰变的实验。
同样在美国桑福德地下研究设施,一个合作机构正在开展一项名为 MAJORANA Demonstrator 的实验。这次是一块 76 锗,藏在一座旧矿井内 1.6 公里长的岩石下。
团队最近分享了自己的分析他们的设置,并表明所有周围的岩石都在保护他们的探测器免受可能引发误报的杂散辐射的影响。
到目前为止,这些实验的结果已经减少了寻找这种违反规则的异常现象的地方。这很有帮助,但并不完全是我们正在寻找的答案。
话又说回来,这只是我们所知道的宇宙的存在受到威胁。所以让我们祈祷他们在未来几年会看到一些奇怪的事情。