中微子将成为解开宇宙未解之谜的关键:物质为何存在?

摘要:北京时间20200125关于【中微子将成为解开宇宙未解之谜的关键:物质为何存在?】的具体情况和说明,让www.nmxljs.cn新闻频道的以图文形式为您慢慢道来。

中微子,这一个神秘的粒子,普通人从未见到过它,但是它无时无刻不在我们的身边,在自然界广泛存在。最关键的是它非常小,可以轻易穿透任何物质,并且它与其他物质的相互作用十分微弱,每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计,每秒钟会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。当然,我们毫发无损,因为它们太小了。

尽管中微子看起来“毫不起眼”,但是中微子的价值对科学家来说简直不可估量。多年来,一个国际研究团队一直隐在意大利中部的一座深山底下,不知疲倦地从已知宇宙中最冷的立方米中收集最敏感的数据。科学家们正在寻找证据,证明被称为中微子的幽灵粒子与它们自己的反物质粒子是无法区分的。如果被证实,这一发现将解开困扰物理学家们数十年的宇宙之谜:物质究竟为什么存在?反物质

他们早就知道物质有一个被称为反物质的孪生兄弟。对于宇宙中的每一个基本粒子来说,都存在着一种反粒子,它与它的同胞粒子几乎完全相同,质量相同,但电荷相反。当粒子和反粒子面对面相遇时,它们会相互湮灭,产生纯净的能量,物质和反物质之间有着明显的完全对称性。科学家表示,每次你制造一件物质,你也制造了一件平衡的反物质,每次你摧毁一件物质,你也会摧毁一件反物质,也就是说这世界上不可能存在一种没有反物质存在的物质。

这种对称性与我们目前对宇宙起源的理解相悖。根据大爆炸理论,当宇宙在138亿年前从一个无限小的奇点膨胀时,人们相信有等量的物质和反物质存在。然而,今天当天文学家观察宇宙时,宇宙几乎完全是由物质组成的,而它的孪生兄弟却一个也没有。更可怕的是,如果《生活大爆炸》是正确的,那么我们——是的,人类——今天就不应该在这里。

科学家表示,“如果物质和反物质完全遵循这种对称性,那么随着宇宙的进化,所有的物质和反物质都将湮灭成光子,恒星、行星甚至人类细胞将没有任何物质。我们将不复存在,然而,现在我们依然存在,这是否意味着在宇宙进化的某个时候,部分核算体系崩溃了吗?

这个问题科学家目前想要解开的答案。在过去的两年里,科学家收集并分析了来自意大利格兰萨索国家实验室的CUORE(低温地下观测罕见事件)实验的数据,寻找能解开宇宙之谜的确凿证据。CUORE实验:中微子探索

在格兰萨索实验室进行CUORE实验的探测器被安装在一个专门建造的洁净室里,以保护它们免受自然发生的放射性物质的伤害。CUORE在意大利语中是“心”的意思,它正在寻找证据,证明被称为中微子的难以捉摸的亚原子粒子是它们自己的反粒子,物理学家称之为马略阿纳粒子。中微子像幽灵一样穿过大多数物质,极难被探测到。

而CUORE实验寻找的是马约阿纳中微子相互湮灭的特征,这个过程被称为无中微子双衰变。在普通的双衰变中,原子核内的两个中子同时蜕变成两个质子,释放出一对电子和反中微子。这一核事件虽然极为罕见,每1万亿亿年(10的20次方)才发生一次,但在现实生活中已被观察到。

然而,如果研究人员是正确的,而且中微子是真正的马略阿纳粒子(它们是自己的反粒子),那么在衰变过程中产生的两个反中微子就会相互湮灭,产生一个没有中微子的双贝塔衰变。结果呢?只剩下电子,它们是“普通物质”。如果这一过程被证明是正确的,那么它可能就是在早期宇宙中播撒普通物质的原因。然而,观察这一过程则是另一回事。科学家们估计,无中微子双衰变(如果它存在的话)可能每十七亿亿年才发生一次(10^25)。

无中微子模式是科学家真正想寻找的答案,它将打破规则,在没有反物质的情况下创造物质,这将是真正解决物质-反物质不对称的第一个线索。CUORE探测器从碲原子放射性衰变过程中产生的电子中寻找能量信号。

经过十多年的改进,CUORE仪器是已知宇宙中最冷的仪器。它由988块由二氧化碲制成的立方晶体组成,冷却至10开尔文,即零下460华氏度(零下273摄氏度),只比物理学允许的绝对零度高一点点。为了保护实验免受外部粒子(如宇宙射线)的干扰,探测器被包裹在一层厚厚的高纯度铅层中,这层铅是从一艘2000年历史的罗马沉船中提取的。

尽管科学家们已经取得了技术上的成就,但发现无中微子事件并不是一件容易的事。自2017年得出初步结果以来,研究人员收集的数据增加了三倍多,这是迄今为止粒子探测器收集的最大数据集。然而他们并没有发现无中微子双衰变的证据。接下来科学家对马约阿纳中微子的预期质量做出了更严格的限定,他们认为该中微子至少比电子轻500万倍。该团队计划在最初的五年运行后对CUORE进行升级,引入一种新型的晶体,他们希望这种晶体将极大地提高其灵敏度。最终发现无中子的双beta衰变,或者一些更奇特、更意想不到的东西。


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