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打破物质与反物质的镜像对称性:轻子或存在对称性破缺

打破物质与反物质的镜像对称性:轻子或存在对称性破缺
2020年06月11日 21:32 新浪网 作者 大象公会

  在镜像世界里,反粒子应该具有与粒子相同的行为方式。但实验表明轻子(包括中微子、电子和其他更为奇特的相关粒子)也许并不遵循这种规律。

  宇宙中所有可见的物质都是由基本粒子所构成的。被称为费米子的基本粒子群包含两类主要的粒子:一类是构成质子和中子的夸克;另一类则是包含电子、μ子、τ子和中微子等基本粒子的轻子。每一种基本粒子都有对应的反粒子,它们具有相同的特性但却携带着相反的电荷,其中最为著名的例子是反电子(也称为正电子)。人们长期认为在由反物质构成的镜像世界中,反粒子应该具有与粒子相同的行为,但从1960年代开始人们发现夸克和反夸克打破了这种粒子与反粒子间的镜像对称性[1,2]。在《自然》杂志中,T2K协作项目报告了可能在轻子中存在这种对称性破缺[3]

  粒子-反粒子镜像对称性也被称为电荷共轭宇称反演对称(charge-conjugation parity- reversal (CP) symmetry)。它基于宇称结合了粒子和反粒子之间的对称性(宇称是指反物质镜像世界中物理定律不会改变)。CP对称性为何会破缺,其后果如何?这个令人困惑的问题是我们理解自然规律和宇宙演化的核心。 

  自从1967年Andrei Sakharov提出以来[4],CP破缺就成为了解释宇宙中物质稍多于反物质的关键之一。这种每百亿个光子中包含几个粒子的不平衡[5],将最终解释恒星、行星、地球和我们自己的存在:如果反物质和物质完全相等,在宇宙诞生的早期它们就会摧毁彼此并湮灭成光子,而不会剩下任何物质了。

  初期完美对称的宇宙是如何产生如此微小的物质盈余的?在夸克中观察到的CP破缺并不足以导致这一结果[6],于是科学家们将目光转向了轻子生成机制[7](leptogenesis)中的轻子CP破缺。在解释观测到中微子质量的模型中,假设在宇宙早期存在大量较重的中微子伙伴,它们随后发生衰变。在CP破缺中,这些衰变造成了观测到的物质-反物质不对称性。

  轻子CP破缺的实质性发现将具有开创性意义。这一观测连同已经被证明的轻子数不守恒,将为轻子生成机制提供强有力的佐证,而这(轻子生成机制)也是物质-反物质不平衡的起源[8,9]

  虽然轻子CP破缺难以捕捉观测,但却可以利用中微子进行搜索。这些基本粒子很难与普通物质发生相互作用,使得探测变得异常困难。尽管如此,它们却无处不在:你的一杯咖啡中平均约存在十万个渗透到宇宙中的“冷”中微子,而太阳中产生的则更多。

  中微子具有三种不同的类别(味道),取决于其相关的带电轻子:电子、μ子和τ子。人们曾长期认为中微子是没有质量的,然而在1998年的超级神冈(Super-Kamiokande)实验[10]和2002年的萨德伯里中微子观测站(Sudbury Neutrino Observatory)[11]中发现的中微子振荡现象则证明了这些粒子确实具有质量。

  中微子振荡现象是指中微子在传播过程中可以从一种味道转换为另一种味道[12]。这是一种量子力学效应,主要缘于每一种中微子味道实际上都是由质量不同的三个状态混合而成(一种量子叠加态)。重要的是,由于其各组分的演变不同,叠加态会随着时间推移而发生变化(如图一所示)。例如一个纯μ子中微子可以部分地变为电子中微子。

打破物质与反物质的镜像对称性:轻子或存在对称性破缺

  图1 | 中微子镜像示意图。中微子具有在三种味道(νeνμντ)之间随时间转换的奇异能力,这是由于组成它的三部分(质量态)有着不同的变化规律。图中的波简单地描述了每一个质量态对于中微子的贡献。每种中微子都有对应的反中微子(图中添加了上划线)。对称性定律意味着在由反物质构成的镜像世界中,反中微子的行为应与中微子相同。但日本的T2K实验结果表明,这种对称性可能会发生破缺[3]。这一结果有望解释宇宙包含的物质为何多于反物质。

  自从中微子振荡被发现后,许多实验对该现象进行了分析,但直到最近几年才观测到从μ子中微子到电子中微子的微小振荡[13,14]。这种振荡发生的概率很小,但却是轻子CP破缺的关键:如果CP对称性守恒,那么从μ子中微子到电子中微子的转换振荡概率应该与反μ子中微子到反电子中微子的转换概率相同。T2K合作项目已经能够以前所未有的精度研究这些振荡,并且观测到了轻子CP破缺的可能证据。

  在T2K实验中[15],中微子束由位于日本东海的日本质子加速器研究中心产生。被高度加速的质子对致密石墨靶进行轰击,产生大量的π介子和κ介子。这些粒子衰变后会产生中微子束(或者反中微子束,这取决于所使用的条件),两个位于280米外的探测器对此进行监测。

  随后中微子将会毫无阻拦地穿越地球,但其中一部分会被位于295千米外神冈天文台地下的探测器探测到。这一位于日本池野山深处的探测器,包含五万吨超纯水,周围环绕着巨大的光传感器阵列。当中微子与与水中的中子发生相互作用时,会产生μ子或电子——取决于中微子的味道。T2K实验会探测并区分出μ子和电子,从而确定碰撞中微子的味道以及μ子中微子到电子中微子转换的振荡概率。

  T2K协作项目收集了2009年到2018年间中微子和反中微子的数据。通过结合其他的中微子振荡实验,研究人员已经理清了转换概率对于不同参数的依赖性并给出了CP破缺证据。实验结果以95%的置信度排除了CP守恒(这意味着发生了CP破缺),同时还显示CP破缺参数很可能很大。这些结果可能是宇宙中物质-反物质不对称性起源的最早标志。

  这无疑是激动人心的实验。但非凡的结论也需要非凡的证据:确定轻子CP破缺的发生需要超过99.9999%的置信度。这需要更强的粒子束、更大的探测器和对于实验特征更深入的理解,来对振荡概率进行更为精确的测量。

  下一代大尺度多目标的中微子实验正在准备迎接这一挑战。日本的T2HK实验[16]将在T2K技术的基础上配备顶级神冈(Hyper-Kamiokande)探测器,该探测器将使用十倍于原先质量的水和更强的粒子束。顶级神冈探测器于今年二月获批,即将开始施工。此外,地下深处中微子实验[17](Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)将在美国南达科他州利德市的桑福德实验室展开,其技术设计报告已于二月发布[18,19]。DUNE将使用全新的探测器技术,其中包含四个装有数千吨液氩的模块,来探测位于1300千米外的伊利诺伊州巴达维亚费米实验室产生的高强度中微子束。瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)较小的原型系统已经验证了大型DUNE探测器的可行性。因此,T2HK和DUNE将会相互提供互补的技术和测量。在未来的十五年里,它们很有可能会为我们探寻的CP破缺带来明确的答案。 

  参考文献:

  1.Christenson, J. H., Cronin, J. W., Fitch, V. L. & Turlay, R. Phys. Rev. Lett.13, 138–140 (1964).

  2.Gershon, T. & Nir, Y. in Review of Particle Physics Ch. 13, 238–250; http://pdg.lbl.gov/2019/reviews/rpp2019-rev-cp-violation.pdf (Particle Data Group; 2018).

  3.The T2K Collaboration. Nature580, 339–344 (2020).

  4.Sakharov, A. D. Sov. Phys. Usp34, 392–393 (1991).

  5.Planck Collaboration. Preprint at

  https://arxiv.org/abs/1502.01589 (2015).

  6.Gavela, M. B., Hernández, P., Orloff, J. & Pène, O. Mod. Phys. Lett.A9, 795–810 (1994).

  7.Fukugita, M. & Yanagida, T. Phys. Lett.B174, 45–47 (1986).

  8.Pascoli, S., Petcov, S. T. & Riotto, A. Phys. Rev. D75, 083511 (2007).

  9.Hagedorn, C., Mohapatra, R. N., Molinaro, E., Nishi, C. C. & Petcov, S. T. Int. J. Mod. Phys. A33, 1842006 (2018).

  10.Fukuda, Y. et al. Phys. Rev. Lett. 81, 1562–1567 (1998).

  11.Ahmad, Q. R. et al. Phys. Rev. Lett89, 011301 (2002).

  12.Pontecorvo, B. Sov. Phys. JETP 26, 984–988 (1968).

  13.Abe, K. et al.Phys. Rev. Lett. 112, 061802 (2014).

  14.Acero, M. A. et al. Phys. Rev. Lett.123, 151803 (2019).

  15.Abe, K. et al.Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res.659, 106–135 (2011).

  16.Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration. Preprint at 

  https://arxiv.org/abs/1805.04163 (2018).

  17.Acciarri, R. et al. Preprint at 

  https://arxiv.org/abs/1601.05471 (2016).

  18.Abi, B. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2002.02967 (2020).

  19.Abi, B. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2002.03005 (2020).

  原文以 Matter–antimatter symmetry violated为标题发表在2020年4月15日的《自然》新闻与观点版块

  © nature

  Nature|doi:10.1038/d41586-020-01000-9

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