神秘粒子：宇宙“反物质消失案”的最大嫌疑人？

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大爆炸应该产生等量的物质和反物质，它们会在壮观的纯能量爆发中相互湮灭。但事实并非如此，我们周围看到的一切，从我们脚下的地面到最遥远的星系，都是由物质构成的。这对于科学家来说，一直是个难题：根据物理学家目前最完善的理论，物质、反物质应该在大爆炸时以等量产生。但宇宙中反物质却极其罕见，那么究竟是怎么回事呢？

物理学家目前尚无法解答这个问题，但许多人认为答案必然涉及物质与反物质行为方式中某种微妙的差异。而当下，通往这片未知领域最有希望的途径，正聚焦于一系列涉及神秘亚原子粒子——中微子的新实验。

这并非断言中微子必然是物质-反物质不对称性的解释，但能够解释这种不对称性的绝大多数模型都与中微子相关联。

物理学家谈论的物质，指的只是构成宇宙的普通物质——主要是质子和中子，以及电子等更轻的粒子。尽管“反物质”这个词听起来充满科幻色彩，但反物质与普通物质其实并无本质区别。通常唯一的差异在于电荷： 例如正电子（首个被发现的反物质粒子），其质量与电子相同，但带正电荷而非负电荷。电中性粒子的情况稍显复杂。例如，光子被视为自身的反粒子，但反中子与中子不同，它由反夸克而非普通夸克构成。

自然界中存在多种反物质粒子；它们存在于宇宙射线和雷云中，并由某些放射性衰变产生。（因人体以及香蕉含有微量放射性钾元素，它们会以正电子的形式释放极微量的反物质。）

反物质推进飞船。图源：https://blog.sina.com.cn/s/blog_c7e597760102we9j.html

科学家们在粒子加速器及其他实验中也曾制造出微量反物质，但这耗了费巨大精力与资金——这与科幻小说中关于反物质火箭推进、反物质歼星武器的幻想相距甚远。

当物质与反物质相遇时，它们会湮灭，并以辐射形式释放能量。这种湮灭遵循爱因斯坦的质能方程：E=mc²——能量等于质量乘以光速的平方——表明你可以将少量物质转化为大量能量，反之亦然。（香蕉和人体释放的正电子质量微乎其微，因此它们湮灭时释放的能量微弱到难以察觉。）尽管在理论上可以存在从反物质分子到反物质行星乃至恒星的各种形态，但由于物质与反物质极易湮灭，所以想要制造出比原子大得多的反物质相当困难。

但存在一个谜题：如果物质与反物质在大爆炸时如理论所言以等量产生，它们不该相互湮灭，最终形成纯能量构成的宇宙吗？为何至今仍有物质存在？

南达科他州利德市桑福德地下研究设施的长基线中微子设施于2024年完成挖掘工程。该工程旨在为深地中微子实验项目铺路。图源：瑞安·波斯特尔 / 费米国家加速器实验室

物理学家最合理的推测是，早期宇宙中某些过程使物质的产生优于反物质的产生——但具体是什么过程至今仍是谜团，而我们为何生活在物质主导的宇宙中，则是整个物理学领域最令人困惑的问题之一。

关键在于，物理学家至今未能构想出任何符合当今主流物质与能量理论——即粒子物理学的标准模型——的此类过程。这促使理论学家们寻求新思路，探索超越标准模型的未知物理领域，而中微子正是在此背景下登场。

中微子的回答

中微子是微小的无电荷粒子。根据标准模型，它们本应像光子一样没有质量，但自1990年代开始的实验表明，它们实际上具有微小质量（其质量至少比电子轻百万倍，而电子已是普通物质中最轻的粒子）。由于物理学家已知中微子因具有质量而违背标准模型，他们希望通过深入研究这些微小粒子，或许能窥见标准模型之外的奥秘。

然而，由于中微子几乎不与其他粒子发生相互作用，它们的奥秘始终难以揭示。每秒钟约有600亿个来自太阳的中微子穿过你皮肤的每个平方厘米。倘若这些中微子与人体内的原子发生相互作用，很可能将摧毁我们。但它们只是径直穿透而过。芝加哥附近费米实验室的物理学家佩德罗·马查多指出：“你一生中几乎不可能与任何一个中微子发生相互作用，这种概率实在微乎其微。”

然而实验表明，中微子在传播过程中会发生“振荡”，在三种不同的身份之间转换——物理学家称之为“味”：电子中微子、μ中微子和τ中微子。并且电子中微子转变为μ介子中微子的概率随传输距离的变化而变化。(第三种中微子状态——τ中微子非常罕见）。同时， 振荡测量还揭示出，不同味的中微子具有略微不同的质量。

中微子状态随着传输距离的变化概率图

中微子振荡是奇怪的，但它可能是有用的，因为它可能让物理学家探究自然界的某些基本对称性——而这些对称性反过来又可能阐明最令人不安的不对称，即宇宙的物质-反物质不平衡。

对中微子研究者而言，电荷-宇称（CP）对称性是关键的对称性原理。它实际上由两种独立对称性组合而成：改变粒子的电荷会使物质转化为反物质（反之亦然），而改变粒子的宇称则会使粒子变成其镜像（如同将右手手套变成左手手套）。因此普通物质粒子的CP反演版本，恰是对应反粒子的镜像。但这种反演粒子是否与原始粒子完全相同？若存在差异，物理学家便称CP对称性遭到破坏——这其实是在委婉地说明物质与反物质的行为存在细微差别。因此自然界中任何CP对称性破坏的实例，都有助于解释物质与反物质的不平衡现象。

事实上，在某些介子（通常由一个夸克和一个反夸克组成的亚原子粒子）中，已观测到CP破坏现象——这一惊人发现最早可追溯至20世纪60年代。但该效应极其微弱，远不足以解释宇宙中物质与反物质的不对称性。

欧洲核子研究中心的大型粒子对撞机。图源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/722306995

2025年7月，在日内瓦附近欧洲核子研究中心大型强子对撞机工作的科学家们报告称，他们发现了另一类亚原子粒子——称为重子的粒子家族中某一类粒子存在类似违背现象的明确证据。但科学界同样认为，这种新观测到的CP对称性破坏现象幅度过小，不足以解释物质与反物质的不平衡现象。

电子的CP宇称对称性

即将进行的实验

那么中微子呢？它们是否违反了 CP 对称性——如果是这样，这种破坏程度是否足以解释为何我们生活在物质主导的宇宙中？这正是新一代粒子物理实验正在探索的核心问题。其中最具雄心壮志的当属深地中微子实验（DUNE），该实验目前正在美国建设中，最早可能于2029年启动数据采集工作。

DUNE 将采用世界上最强的中微子束，将中微子和反中微子从费米实验室发射到位于 800 英里外的南达科他州桑福德地下研究设施。（两者之间没有隧道；中微子与反中微子会直接快速穿过地球，大部分情况下几乎不受地球存在的影响。）两端探测器将揭示粒子在穿越两实验室间距离时的振荡特性——并验证中微子与反中微子的行为是否存在差异。

DUNE实验无法精确测定中微子CP对称性破坏的具体数值（若存在破坏现象），但能为其设定上限值。潜在效应越显著，中微子与反中微子行为的差异就越大，中微子导致早期宇宙物质-反物质不对称性的可能性也就越高。

一种揭示中微子奥秘的新方式

除了本身是一项重大发现外，中微子中的CP对称性破缺还可能挑战标准模型，为探索其他新物理现象指明方向。理论学家指出，这意味着可能存在两种中微子——左旋中微子（即迄今观测到的常规轻型中微子）和更重的右旋中微子，后者目前仅是理论推测。（粒子“旋”性指其量子属性。）

这些右旋中微子的质量可能高达质子的1015倍，且极不稳定——诞生后几乎会立即衰变。尽管它们在当今宇宙中不复存在，但物理学家推测右旋中微子可能在大爆炸后的瞬间存在过，其衰变过程可能模拟了CP破坏现象，从而使物质的生成优于反物质。

甚至有可能中微子能充当自身的反粒子——即中微子可转化为反中微子，反之亦然。这一假说若得到右旋中微子的发现支持，将使中微子在根本上区别于夸克和电子等更常见的粒子。若反中微子能转化为中微子，这或许能解释宇宙最初时刻反物质的去向。

验证这一设想的一种方法是寻找一种理论上存在但迄今未被观测到的特殊放射性衰变现象——即“无中微子双β衰变”。在常规的双β衰变中，原子核内的两个中子会同时衰变为质子，过程中释放出两个电子和两个反中微子。但若中微子能充当自身的反粒子，那么两个中微子便会相互湮灭，最终仅留下两个电子和一束能量。

目前有多项实验正在进行或计划开展，旨在探测这种衰变过程，包括：中国锦屏地下实验室（世界上最深的地下实验室）的PandaX实验；位于日本神冈中微子探测站的KamLAND-Zen实验；位于加拿大安大略省SNOLAB设施的nEXO实验；位于西班牙坎弗兰克地下实验室的NEXT实验；以及位于意大利格兰萨索实验 室的LEGEND实验。其中KamL AND-Zen、NEXT和LEGEND实验已投入运行。

尽管这些实验在细节上有所不同，但它们都采用了相同的总体策略：使用装满高密度放射性物质的巨型容器，并配备探测器阵列来捕捉异常高能电子的发射。（这些电子原本伴随的中微子将不复存在，其本应携带的能量则由电子承载。）

位于水池内（尚未灌水）的中心探测器（外部图）。图源：江门中微子实验

尽管中微子仍是已知粒子中最神秘的存在之一，但是科学家们正以缓慢而坚定的步伐揭示它的奥秘。随着这些秘密的逐步显现，它或许将破解物质主导宇宙的谜题——这个宇宙恰好孕育了我们这类充满好奇的生物。

“我认为我们正在进入一个非常激动人心的时代”——特纳

作者：Dan Falk

翻译：楠客

审校：姬子隰

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【互动问题：如果中微子真的是‘反物质消失案’的幕后主谋，你觉得它最像下面哪种卧底？为什么？

A. 隐形人——穿墙而过，从不露脸

B. 变形者——路上随时换身份（振荡）

C. 分身大师——自己就是自己的反粒子，正反同体】

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编辑：姬子隰

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