宇宙中最冷的地方正在解开反物质之谜

在一个寒冷的意大利实验室里，科学家们利用极寒和古老的材料来挑战现有的物理定律。

他们的研究旨在探测像中微子双β衰变这样的现象，可以重新定义对宇宙中物质和反物质的理解，让学生参与开创性的实验。

探索宇宙的奥秘：意大利实验室

在意大利亚平宁山脉（Apennine Mountains）下的一个地下实验室里，国际科学家团队正在努力解开粒子物理学最大的谜团之一。这里的温度已经达到了已知宇宙中最冷的温度。

在为这项开创性工作做出贡献的150多名主要研究人员中，加州理工学院物理学教授托马斯·古铁雷斯（Thomas Gutierrez）。作为美国国家科学基金会（National Science Foundation）资助的三年期34万美元项目的首席研究员，古铁雷斯在该项目中发挥了关键作用。

探索被禁止的核衰变

这项研究在意大利阿塞吉附近的格兰萨索国家实验室进行，位于罗马东北约80英里处。这个尖端的设施吸引了来自著名机构的科学家，包括加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、耶鲁大学、麻省理工学院、约翰霍普金斯大学、加州理工学院以及欧洲和亚洲的著名大学。

国家科学基金会的资助涵盖了加州理工学院的旅行和学生参与实验的相关费用。古铁雷斯和他的加州理工学院学生团队正在与其他科学家一起探索与核衰变有关的未经证实的理论，也被称为放射性衰变，即不稳定的原子核通过辐射失去能量的过程。他们的工作努力帮助更好地解释为什么宇宙充满了物质，并解决其他困扰了几代科学家的谜团。

解开中微子的秘密

“如果你能找到打破物理定律的东西，那就是发现，”古铁雷斯说。“我们目前正在寻找的是一种目前被物理定律禁止的核衰变。这不应该发生。所以，如果它能做到，这也是我们正在寻找的，它会告诉你很多关于世界运作方式的信息。”

这项研究继续了国际CUORE（罕见事件低温地下天文台）计划下的科学合作，该计划现在被称为CUPID（CUORE粒子识别升级）。“cuore”在意大利语中意为“心”；因此，首字母缩略词使用“cupid”表示程序的后续最新阶段。

古铁雷斯的研究领域集中在中微子上，这是一种质量非常小的微小粒子。宇宙大爆炸时，中微子在宇宙中大量存在，以接近光速的速度传播，中微子也可能来自恒星爆炸等剧烈爆发。中微子通常是由放射性衰变产生的。因为它们不怎么相互作用，而且是中性的，所以它们可以帮助解释与物质和反物质有关的宇宙之谜。

挑战物质-反物质对称

在现代物理学中，所有的粒子都有反粒子，它们自己的反物质对应物：电子有反电子（正电子），夸克有反夸克，中子和质子（构成原子核）有反中子和反质子。

古铁雷斯说：“根据物理定律，物质和反物质的数量应该是相等的，它们应该都湮灭了，消失了，我们不应该存在。”“然而，剩下的这一小块物质就是我们自己。我们为什么会存在？那条银条怎么会在那儿？所以这是一个谜。”

根据一个长期存在的科学理论，中微子 —— 带电的中性 —— 可能是它们自己的反粒子。但这一概念从未得到证实。丘比特的工作希望揭示无中微子双β衰变的可能性，这是一种原子核释放两个电子但不释放中微子的放射性过程。观察这种衰变将支持中微子本身就是反粒子的假设。

古铁雷斯说：“如果中微子双β衰变发生，它会告诉我们所有关于物质如何存在的基础信息，不仅仅是这种物质，而是所有物质。”“这是非常强大的。”

粒子检测技术的创新

古铁雷斯和国际科学小组正在合作研究二氧化碲晶体，这是一种碲元素和氧的混合物。

古铁雷斯说：“有一种假设认为，碲同位素可以经历无中微子双β衰变。”

古铁雷斯指出，这块晶体中大约三分之一的碲原子核是正确的同位素。

古铁雷斯说：“我们的想法是利用这种晶体的探测器来测量它自己的衰变。它会沉积一定量的能量，提高温度，我们可以观察到这一点。通过这个测试，在最好的情况下，我们希望能够说的是中微子是否是它自己的反粒子。”

古代材料在现代研究中的意义

这个位于意大利的实验室通过两个方向约一公里长的岩石，和一个6厘米厚的防护盾来屏蔽宇宙射线和其他天然放射性物质，这个防护盾是用从一艘古罗马商船残骸中提取的煮熟的铅制成的。在实验室的研究中，古代铅被用作保护层，由于需要几个世纪的自然过程，它本身没有放射性物质，这证明了数百年历史的铅对科学的有效性。

意大利的设施是世界上最大的地下研究中心。这个寒冷的研究条件被设计为温度在10毫开尔文（-441.74华氏度）左右，这是宇宙中最冷的体积。这样的低温有助于粒子科学，因为当粒子冷却时，它们的运动速度要慢得多，这使科学家能够更精确地研究它们的行为。

古铁雷斯说，人们一直在“绞尽脑汁地试图理解”反物质与物质之间的理论，以及中微子是如何参与其中的。

古铁雷斯说：“人们已经探索了很多不同的途径，但大约在30年前，如果这种衰变发生，那么它就会告诉我们物质的性质，这意味着宇宙实际上比反物质更倾向于物质。”

加州理工学院的学生已经做出了贡献，并将继续这样做，其中包括加州莫罗湾的物理学专业学生里根·加西亚。她的部分工作包括在意大利进行的实验中进行远程探测器操作轮班。

加西亚说：“CUORE需要持续监测，因此远程探测器的操作变化是实验的重要组成部分。”“助学金将帮助学生参与这些轮班。它还将帮助学生前往意大利或其他参与合作的大学。”

加西亚还在耶鲁大学赖特实验室（Wright Laboratory）进行了暑期工作，这是丘比特实验的合作机构，加西亚在那里对一个粒子探测器系统进行了测试。

加西亚说：“能参与到如此详细、具体的实验设计中，真是令人兴奋。刚刚过去的这个夏天是我有机会参与的最令人兴奋、最有益的研究经历。”

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