中微子和反中微子“二律背反”

中微子可能是自身的反粒子，它的神秘性也许暗藏了如何解开早期宇宙“反物质去哪儿”难题的线索，宇宙学和天文学家相信，早期宇宙“红方”的物质队胜出，“蓝方”的反物质队失败，今日宇宙的构成几乎难寻反物质的踪迹，可见的和不可见的物质属于正物质一类。几乎每一个物质粒子都有同伴的反物质粒子，正物质粒子和反物质粒子有同样的质量和相反的电荷。正中有反，反中有正”的中微子悄无声息地穿越地球和人们的身体，不带走一丝人们的喝彩，从中微子和其它物质粒子的相互作用中展现了自身的特性，科学家从中判断捕获的中微子是正粒子，还是反粒子。

特定中微子和反中微子的性质让科学家感到迷惑不解，它们也许是同一个粒子，或中微子可能是自身的反中微子，不只是中微子和正反粒子产生了重合，胶子、希格斯波色子也被认为是它们自身的反粒子，如果科学家发现了中微子是自身的反中微子，那么这样的发现滋生了新的线索，中微子也许从某个地方获得了微小的质量，它们在物质占主导地位的今日宇宙也许扮演了一个关键性的角色。

狄拉克对阵马拉纳

反物质概念最早出现在1928年，当时的英国物理学家保罗·狄拉克创立了著名的狄拉克方程，他的物理研究方式产生了震撼性的影响，狄拉克着力找到一个问题的答案：当电子以接近光速运动时发生了什么现象，但狄拉克的计算出现了一种奇怪的情形，电子有时需要携带负能量。西北大学的理论物理学家安德烈·德·古维尔解释说，当狄拉克写下著名的方程式时，他已经意识到反粒子的存在，从他的方程式可以推导出反粒子。1932年，物理学家卡尔·安德森发现了狄拉克预测的电子的反粒子同伴，安德森将电子的反粒子称为正粒子或“正电子”，正电子和电子结构相同，但正负电子携带的电荷相反。

狄拉克预测的反粒子除了有相反的电荷以外，反物质粒子还有相反的手性。当一个运动的粒子沿同样的方向旋转时，它被认为偏右手性；当一个运动的粒子沿相反的方向旋转时，它被认为偏左手性。狄拉克方程允许中微子和反中微子表现为两种不同的粒子，以此可能存在4种类型的中微子，即：左手性和右手性中微子；左手性和右手性反中微子。如果中微子没有质量，那么科学家就会推断，只有左手性中微子和右手性反中微子存在的可能。1937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳首次公布了一个理论，他认为中微子和反中微子实际上是同一种粒子，马约拉纳方程式描述了中微子有质量的情形，有质量的中微子可能转化为反中微子，然后再一次转化为中微子。

物质和反物质不平衡

中微子的质量是否为零？始终是一个谜题，直到1998年，当时的日本超级神冈探测器和加拿大的萨德伯里中微子观测站的物理学家在实验中发现，中微子含有一丁点质量，2015年，两个科学团队的实验成果得到了诺贝尔物理学奖委员会的认可，从那时开始，中微子物理的实验研究迅速地波及到亚洲、欧洲和美洲，而科学家正在寻找中微子有自身反粒子的线索，其中的关键证据与所谓的轻子数守恒定律有关，而轻子数守恒是粒子物理的基本规律，这意味着轻子和反轻子数量在相互反应的过程中保持不变，或在相互反应事件发生的前后，轻子和反轻子数量相等。

宇宙物理学家通常认为，在宇宙大爆炸发生的瞬间，宇宙含有同样数量的物质和反物质，两种类型的物质粒子发生了相互作用，在正反粒子发生相互湮灭的作用中，什么物质也不能留下，湮灭的物质全部转化为能量，但确实有一些物质“存活”下来，今日宇宙存在大量的物质。如果发现轻子数的不守恒现象，那么将会出现一个“漏洞”，科学家以此可以解释目前宇宙中物质和反物质数量不平衡的问题，中微子的相互作用可能是揭示漏洞存在的场所。

无中微子双贝塔衰变

斯坦福直线加速器中心（SLAC）的理论物理学家亚历山大·弗里德兰德是中微子研究的权威之一，他解释说科学家正在寻找那些违反轻子数守恒的事件，搜索对象落在了所谓的双贝塔衰变过程，在通常情形下，双贝塔衰变中的一个原子核会衰为不同的原子核，同时放射出两个电子和两个反中微子，轻子物质和轻子反物质在衰变过程的前后保持了平衡或轻子数守恒。如果中微子是自身的反粒子，那么反中微子在双贝塔衰变时被释放出来，这些中微子可能发生了相互的湮灭作用，从而破坏了轻子数的守恒定律，物理学家称之为无中微子双贝塔衰变，中微子相互湮灭的过程可能偏好物质，丢弃反物质，从而产生物质和反物质数量的不平衡。

在人们理解粒子如何获得它们的物质存在时，无中微子双贝塔衰变可能引起一场深刻的变革，从中产生一些非常高能级的新物理规律，在人们知晓和倾力的粒子物理标准模型之外，也许存在某种新物理学。中微子和反中微子可能不同，有两种中微子和反中微子态，好像狄拉克方程式揭示的那样，另外两种中微子和反中微子态似乎迷失了，物理学家至今没有找到。

对无中微子双贝塔衰变规律的发现也许成为一种迹象，马约拉纳提出过替代性的中微子和反中微子概念，已有一些非常不同的实验，这些实验与暗物质实验有相似性，从表面上看来，两种实验的环境都非常安静，都有一尘不染的探测器，避免了外界的放射性干扰，“过滤”了浮躁心理的科学家一门心思地研究原子核的对象。物理学家目前仍然在评估对难以琢磨粒子的理解，耶鲁大学的雷纳·丸山教授参与了一种无中微子双贝塔衰变实验，他认为在中微子物理学领域有许多令人吃惊的现象，科学家思考了未知现象的物理意义，而解释未被解释的物理现象，这是物理学家遭遇和感受的真正机遇和挑战。

如果宇宙最早期的物质数量和反物质数量刚好相等，那么物质世界将不会存在，人类不能诞生，物质世界的存在和人类的诞生根源于物理学的规律，人们对物理学规律的认识不断深入。不是什么都没有，至少物质世界的存在决定了“我思故我在”。天文学家最近在太阳系边缘发现了“第九颗行星”，构想了时间倒流的镜像宇宙，指出了最遥远的星系也是最昏暗的星系，类星体是最明亮，最强能量的早期星系，天文学家发现了来自河外星系的伽玛射线，在银河系发现了“第二个黑洞”，太阳磁场走向反转，制定了月球资源开采的计划，发射了各种太空探测器等。天体不会停止演变的步伐，人类不会停留在既有的科技水平上。

（编译：2016-1-21）