宇阳小茶发布者：奥飞斯量子比特报道| 公众号QbitAI
众所周知，宇宙是由大爆炸创造的。
然而，大爆炸之后发生的事情仍然没有被人类完全了解。
例如，如果我们发现的物理定律是对称的，那么对称定律就意味着大爆炸会产生等量的物质和反物质。
然而，当物质和反物质相互靠近时，它们就会“化为灰烬”，所以如果物质和反物质的数量相同，宇宙中就不会有质子、电子、原子或生命。
到底是什么破坏了宇宙的对称性？
今天，人类为解决这一重要谜团又迈出了重要一步。
正物质最终战胜反物质的原因之一已经被发现。
经过10年的累积观测，来自日本、美国、俄罗斯等12个国家的T2K团队发现中微子打破了这种对称性，宇宙的最终不对称性可能隐藏在中微子I的不对称性中。发现了一些东西。
这项爆炸性的新研究出现在最新一期《自然》杂志的封面上。
要理解这个问题，我们首先要了解什么是中微子。
所有物理现象都必须满足能量、动量和角动量守恒定律，核反应也不例外。然而，科学家发现原子核的衰变（电子发射）似乎并不满足这一定律。
气泡室中观察到的中微子
为了解释这一现象，物理学家泡利提出，原子核在核裂变过程中也会释放出一种难以检测到的不带电粒子。
这是因为人类发现了不带电的中性粒子，称为中子。这些轻的、不带电的粒子被称为“小中子”或中微子。
此外，中国物理学家王棍昌在1941年提出了探测中微子的方法，但当时中国正处于抗日战争时期，实验条件尚未完全具备。后来又被另外两位美国物理学家发现并获得了诺贝尔奖。
可以说，中微子在我们的生活中比阳光更恒定、更普遍。
这是因为中微子的最大来源是太阳。太阳是一个巨大的核反应堆，核聚变产生大量的中微子。
每秒有数万亿个粒子穿过我们的身体。不过，无需担心辐射。中微子与物质的相互作用非常弱，可以轻松穿过一千个地球，因此对人体影响不大。
最初，科学家根据太阳模型计算出中微子数量，但与地球上检测到的中微子数量存在较大差异。后者只有前者的1/3，那另外的2/3到哪里去了呢？
考虑到地球和太阳之间的真空中几乎没有任何东西，显然中微子没有被任何东西阻挡，而且其穿透力非常强。
此后，科学家们发现中微子实际上有三种“味道”：电子中微子、子中微子和中微子。它们中的每一个都是在涉及电子、子和子的核反应中产生的，并且它们只与相应的粒子发生反应。
这三种类型的中微子在以接近光速的速度传播时可以相互转化。物理学家将这种现象称为中微子振荡。
太阳中的核反应仅产生电子中微子，其中三分之二在到达地球的途中变成子和子中微子。
我们过去的实验方法只能探测到电子中微子，所以我们错过了剩下的三分之二。
要找到中微子，“挖一个洞，然后装满水。”既然中微子和物质之间的相互作用非常弱，我们怎样才能找到它们呢？
科学家建议的方法是“增加剂量”。
中微子和物质原子之间的相互作用是低概率事件，但如果你使用足够的原子来“捕获”中微子，总会发现一些原子。
T2K实验使用的探测器是日本的超级神冈探测器（Super-K）。
Super-Kamiokande探测器位于地下1000米处，建于一座废弃砷矿改造而成的地方。
Super-Kamiokande是一个圆柱形不锈钢罐，高41.4米，直径39.3米，可容纳5万吨超纯水。
超级神冈探测器内部
之所以选择这样的深度，是为了让地球岩层能够屏蔽其他射线粒子。由于中微子具有最强的穿透力，因此只有中微子最终能够到达探测器。
超级神冈可以概括为“挖一个洞”并“注满水”。
为了探测少量捕获的中微子，Super-Kamiokande 配备了11,146 个光电倍增管。
超级神冈光电倍增管
当中微子与水中的原子核和电子发生反应时，它们会产生高能电子或正电子，其速度可以超过水中的光速。
当电子或正电子在水中快速移动时，粒子后面的尾部会产生切伦科夫辐射。水下核反应堆发出的微弱蓝光就是这种辐射。
核反应堆产生的切伦科夫辐射
当辐射光子撞击光电倍增管时，它会产生一个电子，该电子被电场加速，产生更多电子的雪崩，最终产生可检测的电流。
通过来自不同位置的光电倍增管的电信号数据，科学家可以确定中微子入射的方向和“味道”。
早在《自然》杂志封面文章发表之前，超级神冈就已在物理学史上名声大噪，并多次取得令人惊叹的成果，其中包括两项获得诺贝尔奖的研究成果。
日本物理学家大芝正敏因其对超级神冈探测器探测宇宙中微子的贡献而获得2002年诺贝尔物理学奖。
小柴长君
另一位日本物理学家梶田贵明(Takaaki Kajita) 因发现中微子振荡并使用超级神冈探测器证明中微子质量而获得2015 年诺贝尔物理学奖。
在我们讨论了中微子的不对称性之后，您对中微子与宇宙起源的关系有何了解？
前苏联核物理学家安德烈·萨哈罗夫曾提出宇宙物质起源机制。
他推测的原因之一是物质和反物质之间的对称性并不完美，导致分子表现出略有不同的特性。这种差异可能导致大爆炸后的冷却过程中物质过剩。
未来，如果宇宙中不再存在等量的物质和反物质，就需要满足“萨哈罗夫条件”，其中重要条件之一就是CP对称性的破坏。
CP 对称性意味着，如果用相反的电荷替换粒子的电荷并反转粒子的自旋（旋转方向），物理定律不会改变。
如果不存在等量的物质和反物质，CP对称性应该在宇宙诞生之初就破缺。
事实上，自20 世纪60 年代以来，物理学家就发现了CP 对称性破缺，但主要是在其他不太常见的粒子中。
在最新的中微子实验结果公布之前，科学家们预计会发现更大的CP不对称性。
T2K 合作者的这项最新研究结果在很大程度上满足了这一假设。
T2K利用高强度质子加速研究中心（J-PARC）加速器产生的子中微子和子反中微子束来研究这些粒子和反粒子分别如何变成电子中微子和电子反中微子。
在这个实验中，研究人员观察到，对长基线中微子和反中微子振荡的测量表明，中微子振荡的概率高于反中微子振荡的概率。
该差异表示为CP 故障相位角。当相位角为0且中微子和反中微子表现相同时，实验检测到约68个电子中微子和20个电子反中微子。
不是这种情况。最终，T2K 检测到了90 个电子中微子和15 个电子反中微子。
也就是说，在300公里的旅程中，中微子“味道”发生变化的概率很高，但反中微子的概率相应地低于预期。中微子及其反粒子以不同的概率振荡。
这是人类首次探测到中微子的CP破坏现象。
中微子中CP对称性破缺的发现表明，早期宇宙中存在着更大的不对称性。然而，中微子本身仍然太小，无法发挥这一作用。
但所有三种“味道”的中微子可能都与一种称为“惰性中微子”的暗物质有关，它们的相互作用可能会打破宇宙的平衡。
日内瓦大学物理学家、T2K 合作发言人Federico Snchez 表示：
我们首次捕捉到中微子中的CP破坏现象。是一个真正的里程碑。
同时，众所周知，中微子和反中微子的行为不同。
这也是向前迈出的一大步。 —— 人们已经发现了其他粒子中物质和反物质之间的差异，但这些差异太小，无法解释真实宇宙中存在的现象。
实验的下一步将是收集足够的数据来证实这一新发现。
目前的T2K结果处于统计显着性的3水平，因此当完全排除物质-反物质对称性时，置信度下降到2。粒子物理研究通常需要5 置信水平。
德国马克斯·普朗克核物理研究所的中微子物理学家维尔纳·罗德约翰乐观地认为，由于中微子和反中微子具有非常不同的性质，证据的积累速度会更快几年。
桑切斯还表示，虽然目前的发现尚未满足解决物质起源问题的所有条件，但它们“显然是朝着正确方向迈出的一步”。
目前的结果对于指导下一步的研究具有重要意义。
然而，仅靠T2K实验是不可能达到5水平的。
幸运的是，物理学家可能通过下一代中微子探测器找到答案，例如：
中国的JUNO计划于2023年开始使用，美国的DUNE计划于2025年开始使用，位于Super-Kamiokande附近的Hyper-Kamiokande计划于2027年开始使用。我先简单介绍一下T2K合作项目。
T2K全称是Tokai to Kamioka，是一项涉及日本、加拿大、法国、德国、意大利、韩国、波兰、俄罗斯、西班牙、瑞士、美国和英国的国际粒子物理实验。
T2K 实验旨在研究中微子在传播时如何从一种类型转变为另一种类型。中微子束由日本东海岸的J-PARC 加速器产生，并被引导至位于日本西部山区的超级神冈中微子探测器。中微子束强度和成分的变化提供了有关其特性的信息。中微子信息。
关于中微子的其他有趣事实最后，还有一件事值得分享。
中微子一直是粒子物理界的研究热点。
中微子研究中有许多有趣的故事。
例如，去年11月，天才数学家陶陶和三位素未谋面的物理学家发表了一篇数学论文，其中他们使用一个简单的方程来求解由中微子振荡引起的特征向量。
三位物理学家计算了中微子振荡的概率，发现特征向量和特征值的几何本质实际上是空间向量的旋转和缩放。三种类型的中微子（电子、子和子）不对应于空间中三个向量之间的变换吗？
还有一种误解认为中微子是超光速的。
2011年9月，意大利OPERA研究小组在CERN宣布，他们通过实验发现中微子“运行”的速度超过光速。这一发现对爱因斯坦认为光速无法被超越的狭义相对论的理论基础产生了质疑，引起了极大关注。
然而，2012年初，研究人员发现实际上是硬件问题导致了“超光速”的结果，从而造成了巨大的错误。
然后，来自不同国家的科学家不断挖更大的洞，注入更多的水，以获得更准确的结果。
中微子和超级神冈探测器会产生下一个诺贝尔奖吗？
门户网站：
文章地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0
自然报告：https://www.nature.com/articles/d41586-020-01022-3#ref-CR3
参考链接
https://www.quantamagazine.org/neutrino-evidence-could-explain-matter-antimatter-asymmetry-20230415/https://www.imperial.ac.uk/news/196895/strongest-evidence-that-neutrinos-explain-universe/https://phys.org/新闻/2023-04-物质-反物质-不对称-t2k-结果-restrict.html
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