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大型微中子研究結果公佈 或助解釋宇宙物質多過反物質

2020/4/17 — 11:44

超巨型神岡探測器內部
Credit: Kamioka Observatory, ICRR, Univ. Tokyo

超巨型神岡探測器內部
Credit: Kamioka Observatory, ICRR, Univ. Tokyo

最新刊於《自然》的研究指,由恆星爆炸和核反應堆產生出來、接近無質量且幾乎不可檢測的亞原子粒子 (subatomic particles) 微中子 (Neutrino) ,其行為與相對應的反物質反微中子行為不同。

該研究並無給出結論性數據,但這種微中子不對稱現象或可幫助解釋,新生宇宙如何產生的物質多於反物質,以至為何今天恆星、行星和人類存在的原因;研究亦有助計劃更大型的微中子實驗,證明微中子不對稱性,即電荷共軛宇稱對稱破壞 (charge-parity violation, 簡稱 CP 不守恆) ,並對現象進行精確測量。

微中子可分為三種「味 (flavor) 」:電微中子 (electron neutrino, νe) 、緲微中子 (muon neutrino, νμ) 以及陶微中子 (tau neutrino, ντ) ,它們可以在以接近光速的速度活動時可改變類型,例如來自太陽的 νe 可在到達地球前變為 ντ 。為了研究這種微中子振盪,國際物理學團隊透過 T2K 實驗,將位於東海的日本質子加速器研究設施 (J-PARC) 質子 (proton) 束撞向 295 公里外的超級神岡探測器 (Super-K) 石墨靶,以產生 νμ 或反微中子。

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Super-K 位於飛驒市神岡町的茂住礦山下 1,000 米深位置,以阻隔其他宇宙射線訊號,設施主要部分是一個高 41.4 米、直徑 39.3 米的不鏽鋼圓柱形容器,盛有 5 萬噸 100% 超純水,並有 13,000 個光電倍增管。

νμ 很少會與水中的原子核碰撞並變成緲子 (moun) ,該緲子會在水中產生光的衝擊波,從而在光電倍增管上投射出一個明顯的圓圈。更為罕見的是, νμ 在進入 Super-K 過程中會變成 νe 。然後,它與水相互作用以產生電子,該電子在光電管上投射出模糊的圓圈。當 T2K 與反中微子束一起運行時,這種相互作用會產生反渺子 (antimuon) 或反電子 (positron) ,其發出的信號會與渺子和電子發出的一樣。

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在每秒向石墨靶發射數以萬億個質子的十年後, T2K 研究團隊追蹤到 90 個 νe 和 15 個反電子微中子,換言之 νμ 轉變成 νe 的機率高於反渺子微中子轉變成電子反微中子。

這種差異正是 CP 不守恆, CP 對稱性表明,如果將粒子換成反粒子並反轉其所有自旋,則物理學上兩者是一樣。某些違反對稱性的行為卻似乎是必要,因為新生宇宙顯然產生比反物質更多的物質,否則兩者會徹底消滅對方。自 1960 年代起,物理學家已經觀察到一些涉及 CP 不守恆的線索,當中涉及稱為夸克 (quark) 這種亞原子粒子,但無法解釋到宇宙不平衡。

在微中子中發現 CP 不守恆,暗示在早期宇宙中,有更大型的不對稱性影響。微中子本身太渺小,無法獨自完成這項工作,但每種微中子都可能附在更重的惰性微中子 (sterile neutrino) ,其相互作用會改變電荷共軛宇稱平衡。

結果非結論性

不過, T2K 團隊的結果並非結論性的:僅有 95% 信心排除了無 CP 破壞的可能性,並非物理學界要求更有力的 99.7% 。紐約石溪大學物理學系教授、 T2K 團隊美國發言人張基仲(Chang Kee Jung 譯音)表示,發現仍然令人鼓舞;物理學家通過一角度變化來量化微中子中電荷共軛宇稱對稱破壞的數量,情況如指南針方向變動一樣,而到目前為止 T2K 團隊結果表明,針指向的方向可令無電荷共軛宇稱對稱破壞最大化。

不過,與 T2K 競賽中的 NuMI Off-Axis νe Appearance 實驗 (NOνA) 發言人Patricia Vahle 提醒要對結果持謹慎態度。自 2014 年起, NOνA 團隊從美國費米國立加速器實驗室 (Fermilab) 向 810 公里外的明尼蘇達州阿什河 (Ash River) 探測器發射 νμ 。到目前為止,雖然結果精確度較低,但傾向顯示無出現對稱破壞。

為了解決這些實驗差異,物理學家正計劃在 2020 年代後期進行更大型實驗。在美國,科學家正計劃從 Fermilab 向 1,300 公里外的南達科他州設施射出微中子。另外, T2K 團隊亦獲日方批准,以超巨型神岡探測器代替 Super-K ,前者有一對裝有 50 萬噸水的探測器。張基仲指,期望實驗可運行至 2025 或 2026 年,以確保有 99% 信心排除了無 CP 破壞的可能性。

來源:
Science, Skewed neutrino behavior could help explain matter’s dominion over antimatter, 15 April 2020

報告:
The T2K Collaboration (2020). Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations. Nature 580, 339–344 (2020). doi: 10.1038/s41586-020-2177-0

文/Alan Chiu 、審核/David Yu

 

 

 

 

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