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宇宙中为什么物质多于反物质

中微子探测器

图为此次中微子实验地大亚湾核电站。

  近日位于广东大亚湾核电站的两个中微子探测器开始“收获”——探测到来自核电站反应堆群的中微子。这标志着大亚湾国际合作组对中微子第三种振荡模式的测量迈出了第一步实验结果很可能会对宇宙中为什么物质多于反物质提供线索。

  揭秘“中微子”

  说到中微子我们的目光需回到1930年—1945年诺贝尔物理学奖得主泡利在那一年预言了中微子存在。

  “我做了件很糟糕的事。我预言了一种无法测到的粒子。”泡利所提到的这种“无法测到的粒子”在1933年被意大利著名物理学家、1938年诺贝尔奖物理学奖得主费米正式命名为中微子。

  根据现代粒子物理学构成物质世界的最基本单元是夸克和轻子。其中包括6种夸克和6种轻子。轻子包括3种带电轻子:e(电子)、μ子、τ子以及3种中微子即电子中微子、μ中微子、τ中微子。

  “在地球1平方厘米表面上也就是指甲盖大小每秒就会落下约600亿个来自太阳的中微子。每秒无数中微子穿过一个人身体但不会发生作用。对它来说人基本上是空的。”大亚湾反应堆中微子实验项目工程副经理、中科院高能物理研究所研究员曹俊说。

  “如果没有中微子太阳不会发光不会有比氢更复杂的原子没有碳、氧、水、空气没有地球没有月亮没有人类也没有宇宙。”曹俊说中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用而且与宇宙的起源和演化有关例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成的。

  但中微子非常轻、不带电、几乎不与物质发生相互作用难以捕捉被称为鬼粒子所以这个概念被提出26年后的1956年科学家才在实验室中第一次观测到这种神秘粒子。

  诺贝尔物理学奖分外青睐中微子研究领域。1988年美国科学家莱德曼、舒瓦茨和斯坦伯格因为发现第二种中微子——μ中微子而获诺贝尔奖;1995年美国科学家莱因斯因为1956年在实验中首次观测到中微子而与τ子的发现者分享了这一殊荣;2002年美国科学家戴维斯和日本科学家小柴昌俊因发现太阳中微子失踪现象以及观测到超新星中微子而获诺贝尔奖。

  为什么会是大亚湾?

  科学家研究发现太阳中微子(电子中微子)和大气中微子中的μ中微子在传输过程中观测值往往是理论值的三分之一到一半左右。这种“失踪”现象实际上是一种中微子转换成了无法探测到的另一种中微子这种转换被称为“味振荡”。

  目前决定振荡过程的振荡参数矩阵6个参数中的4个都已得到。而此试验项目瞄准了第5个重要参数——θ13混合角。“其数值大小决定了未来中微子物理研究的发展方向并且与宇宙中‘反物质消失之谜’有关。”曹俊说。

  由于科学意义重大国际上曾先后提出了8个实验方案。由我国科学家提出的大亚湾实验方案得到了包括美国能源部的广泛支持该实验成为中美在基础研究领域规模最大的合作之一也是美国能源部在国外投资第二大的粒子物理实验项目。

  为什么要选择大亚湾建立实验室?据曹俊介绍大亚湾实验地理位置优越紧邻世界上最大的核反应堆群之一并且紧邻高山非常适合对θ13进行精确测量。它通过8个全同的探测器来获取数据探测器放置在附近山底下的3个地下实验大厅中。

  距大亚湾反应堆360米的一号实验大厅最早开始投入运行;距岭澳反应堆约500米的二号大厅今年秋天将开始运行最远的三号大厅离核反应堆群约两公里也会在2012年开始取数工作。

  此外实验大厅位于深山底下以屏蔽宇宙线同时探测器放置在水池中以屏蔽周围岩石层的放射性。尽管有这些屏蔽一些高能量的宇宙线依然可以穿山而入。这时装在水池墙上的光电倍增管和水池顶上的μ子探测器会记录下这些宇宙线的轨迹并将其排除出中微子数据。

  “从大亚湾获取的第一批数据使我们可以开始测量这个未知混合角并最终将振荡幅度测量至1%的精度以内。”来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的大亚湾合作组发言人陆锦标说“这个精度比现在的测量结果高出一个数量级而且远比正在进行的其它实验精确得多。实验结果将对解释中微子在宇宙大爆|炸后最早的一段时期内基本物质的演化以及为什么今天宇宙中物质比反物质更多做出重大贡献。”

  能否揭开反物质消失之谜?

  根据大爆|炸理论和粒子物理理论宇宙起源于大约137亿年前的一次大爆|炸。在宇宙诞生之初能量转化为同样多的正物质与反物质这两种物质相遇会发生剧烈爆|炸转化为能量并归于湮灭。“可是目前宇宙中的天体均为正物质没有发现反物质天体也没有观测到正反物质相遇时发生的猛烈爆|炸。人们推测是正反物质衰变率的微小差别使正物质多于反物质。”曹俊告诉记者。

  他进一步解释道实验中就是去探测粒子的CP破坏现象。CP破坏程度越大正物质衰变率与反物质衰变率相差越大。在基本粒子的夸克部分首先观察到了CP破坏现象但上千名科学家经过10年研究得出一致的结论:测量结果与宇宙中物质的实际结果差了100亿倍破坏程度远不足以解释为什么现在还有这么多正物质存在。

  “中微子振荡现象的发现为解开正反物质之谜带来了新的希望其参数矩阵中的最后一个参数——CP相位角或许将最终揭开谜底。”曹俊说“如果CP相位角是零的话那就意味着物质与反物质的衰变速度是一样的即现在物质和反物质还应该是一样多反物质必然隐藏在我们尚未找到的某个地方。如果不为零反物质很可能已经衰变掉了我们再也没有可能找到‘反物质世界’了。”

  然而要测量第6个参数——CP相位角除了已经测量完成的4个参数之外第5个参数——θ13数值的测量将是绕不过去的一个坎。“如果θ13混合角数值大于0.01那么我们揭开‘反物质丢失之谜’仅剩最后一个参数。如果这一数值小于0.01那么最后一个参数将难以测量。”曹俊说。

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