認(rèn)真閱讀下面的文章，并思考文末互動(dòng)提出的問題，嚴(yán)格按照互動(dòng)：你的答案格式在評(píng)論區(qū)留言，就有機(jī)會(huì)獲得由北京大學(xué)出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《居里夫人文選》。

大爆炸應(yīng)該產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，它們會(huì)在壯觀的純能量爆發(fā)中相互湮滅。但事實(shí)并非如此，我們周圍看到的一切，從我們腳下的地面到最遙遠(yuǎn)的星系，都是由物質(zhì)構(gòu)成的。這對(duì)于科學(xué)家來說，一直是個(gè)難題：根據(jù)物理學(xué)家目前最完善的理論，物質(zhì)、反物質(zhì)應(yīng)該在大爆炸時(shí)以等量產(chǎn)生。但宇宙中反物質(zhì)卻極其罕見，那么究竟是怎么回事呢？

物理學(xué)家目前尚無法解答這個(gè)問題，但許多人認(rèn)為答案必然涉及物質(zhì)與反物質(zhì)行為方式中某種微妙的差異。而當(dāng)下，通往這片未知領(lǐng)域最有希望的途徑，正聚焦于一系列涉及神秘亞原子粒子——中微子的新實(shí)驗(yàn)。

這并非斷言中微子必然是物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性的解釋，但能夠解釋這種不對(duì)稱性的絕大多數(shù)模型都與中微子相關(guān)聯(lián)。

物理學(xué)家談?wù)摰奈镔|(zhì)，指的只是構(gòu)成宇宙的普通物質(zhì)——主要是質(zhì)子和中子，以及電子等更輕的粒子。盡管“反物質(zhì)”這個(gè)詞聽起來充滿科幻色彩，但反物質(zhì)與普通物質(zhì)其實(shí)并無本質(zhì)區(qū)別。通常唯一的差異在于電荷： 例如正電子（首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的反物質(zhì)粒子），其質(zhì)量與電子相同，但帶正電荷而非負(fù)電荷。電中性粒子的情況稍顯復(fù)雜。例如，光子被視為自身的反粒子，但反中子與中子不同，它由反夸克而非普通夸克構(gòu)成。

自然界中存在多種反物質(zhì)粒子；它們存在于宇宙射線和雷云中，并由某些放射性衰變產(chǎn)生。（因人體以及香蕉含有微量放射性鉀元素，它們會(huì)以正電子的形式釋放極微量的反物質(zhì)。）

反物質(zhì)推進(jìn)飛船。圖源：https://blog.sina.com.cn/s/blog_c7e597760102we9j.html

科學(xué)家們?cè)诹Ｗ蛹铀倨骷捌渌麑?shí)驗(yàn)中也曾制造出微量反物質(zhì)，但這耗了費(fèi)巨大精力與資金——這與科幻小說中關(guān)于反物質(zhì)火箭推進(jìn)、反物質(zhì)殲星武器的幻想相距甚遠(yuǎn)。

當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時(shí)，它們會(huì)湮滅，并以輻射形式釋放能量。這種湮滅遵循愛因斯坦的質(zhì)能方程：E=mc2——能量等于質(zhì)量乘以光速的平方——表明你可以將少量物質(zhì)轉(zhuǎn)化為大量能量，反之亦然。（香蕉和人體釋放的正電子質(zhì)量微乎其微，因此它們湮滅時(shí)釋放的能量微弱到難以察覺。）盡管在理論上可以存在從反物質(zhì)分子到反物質(zhì)行星乃至恒星的各種形態(tài)，但由于物質(zhì)與反物質(zhì)極易湮滅，所以想要制造出比原子大得多的反物質(zhì)相當(dāng)困難。

但存在一個(gè)謎題：如果物質(zhì)與反物質(zhì)在大爆炸時(shí)如理論所言以等量產(chǎn)生，它們不該相互湮滅，最終形成純能量構(gòu)成的宇宙嗎？為何至今仍有物質(zhì)存在？

南達(dá)科他州利德市桑福德地下研究設(shè)施的長(zhǎng)基線中微子設(shè)施于2024年完成挖掘工程。該工程旨在為深地中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目鋪路。圖源：瑞安·波斯特爾 / 費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

物理學(xué)家最合理的推測(cè)是，早期宇宙中某些過程使物質(zhì)的產(chǎn)生優(yōu)于反物質(zhì)的產(chǎn)生——但具體是什么過程至今仍是謎團(tuán)，而我們?yōu)楹紊钤谖镔|(zhì)主導(dǎo)的宇宙中，則是整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域最令人困惑的問題之一。

關(guān)鍵在于，物理學(xué)家至今未能構(gòu)想出任何符合當(dāng)今主流物質(zhì)與能量理論——即粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型——的此類過程。這促使理論學(xué)家們尋求新思路，探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的未知物理領(lǐng)域，而中微子正是在此背景下登場(chǎng)。

中微子的回答

中微子是微小的無電荷粒子。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，它們本應(yīng)像光子一樣沒有質(zhì)量，但自1990年代開始的實(shí)驗(yàn)表明，它們實(shí)際上具有微小質(zhì)量（其質(zhì)量至少比電子輕百萬倍，而電子已是普通物質(zhì)中最輕的粒子）。由于物理學(xué)家已知中微子因具有質(zhì)量而違背標(biāo)準(zhǔn)模型，他們希望通過深入研究這些微小粒子，或許能窺見標(biāo)準(zhǔn)模型之外的奧秘。

然而，由于中微子幾乎不與其他粒子發(fā)生相互作用，它們的奧秘始終難以揭示。每秒鐘約有600億個(gè)來自太陽的中微子穿過你皮膚的每個(gè)平方厘米。倘若這些中微子與人體內(nèi)的原子發(fā)生相互作用，很可能將摧毀我們。但它們只是徑直穿透而過。芝加哥附近費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家佩德羅·馬查多指出：“你一生中幾乎不可能與任何一個(gè)中微子發(fā)生相互作用，這種概率實(shí)在微乎其微。”

然而實(shí)驗(yàn)表明，中微子在傳播過程中會(huì)發(fā)生“振蕩”，在三種不同的身份之間轉(zhuǎn)換——物理學(xué)家稱之為“味”：電子中微子、μ中微子和τ中微子。并且電子中微子轉(zhuǎn)變?yōu)棣探樽又形⒆拥母怕孰S傳輸距離的變化而變化。(第三種中微子狀態(tài)——τ中微子非常罕見）。同時(shí)， 振蕩測(cè)量還揭示出，不同味的中微子具有略微不同的質(zhì)量。

中微子狀態(tài)隨著傳輸距離的變化概率圖

中微子振蕩是奇怪的，但它可能是有用的，因?yàn)樗赡茏屛锢韺W(xué)家探究自然界的某些基本對(duì)稱性——而這些對(duì)稱性反過來又可能闡明最令人不安的不對(duì)稱，即宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不平衡。

對(duì)中微子研究者而言，電荷-宇稱（CP）對(duì)稱性是關(guān)鍵的對(duì)稱性原理。它實(shí)際上由兩種獨(dú)立對(duì)稱性組合而成：改變粒子的電荷會(huì)使物質(zhì)轉(zhuǎn)化為反物質(zhì)（反之亦然），而改變粒子的宇稱則會(huì)使粒子變成其鏡像（如同將右手手套變成左手手套）。因此普通物質(zhì)粒子的CP反演版本，恰是對(duì)應(yīng)反粒子的鏡像。但這種反演粒子是否與原始粒子完全相同？若存在差異，物理學(xué)家便稱CP對(duì)稱性遭到破壞——這其實(shí)是在委婉地說明物質(zhì)與反物質(zhì)的行為存在細(xì)微差別。因此自然界中任何CP對(duì)稱性破壞的實(shí)例，都有助于解釋物質(zhì)與反物質(zhì)的不平衡現(xiàn)象。

事實(shí)上，在某些介子（通常由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的亞原子粒子）中，已觀測(cè)到CP破壞現(xiàn)象——這一驚人發(fā)現(xiàn)最早可追溯至20世紀(jì)60年代。但該效應(yīng)極其微弱，遠(yuǎn)不足以解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱性。

歐洲核子研究中心的大型粒子對(duì)撞機(jī)。圖源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/722306995

2025年7月，在日內(nèi)瓦附近歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)工作的科學(xué)家們報(bào)告稱，他們發(fā)現(xiàn)了另一類亞原子粒子——稱為重子的粒子家族中某一類粒子存在類似違背現(xiàn)象的明確證據(jù)。但科學(xué)界同樣認(rèn)為，這種新觀測(cè)到的CP對(duì)稱性破壞現(xiàn)象幅度過小，不足以解釋物質(zhì)與反物質(zhì)的不平衡現(xiàn)象。

電子的CP宇稱對(duì)稱性

即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)

那么中微子呢？它們是否違反了 CP 對(duì)稱性——如果是這樣，這種破壞程度是否足以解釋為何我們生活在物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙中？這正是新一代粒子物理實(shí)驗(yàn)正在探索的核心問題。其中最具雄心壯志的當(dāng)屬深地中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE），該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳罢诿绹?guó)建設(shè)中，最早可能于2029年啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集工作。

DUNE 將采用世界上最強(qiáng)的中微子束，將中微子和反中微子從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)射到位于 800 英里外的南達(dá)科他州桑福德地下研究設(shè)施。（兩者之間沒有隧道；中微子與反中微子會(huì)直接快速穿過地球，大部分情況下幾乎不受地球存在的影響。）兩端探測(cè)器將揭示粒子在穿越兩實(shí)驗(yàn)室間距離時(shí)的振蕩特性——并驗(yàn)證中微子與反中微子的行為是否存在差異。

DUNE實(shí)驗(yàn)無法精確測(cè)定中微子CP對(duì)稱性破壞的具體數(shù)值（若存在破壞現(xiàn)象），但能為其設(shè)定上限值。潛在效應(yīng)越顯著，中微子與反中微子行為的差異就越大，中微子導(dǎo)致早期宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性的可能性也就越高。

一種揭示中微子奧秘的新方式

除了本身是一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)外，中微子中的CP對(duì)稱性破缺還可能挑戰(zhàn)標(biāo)準(zhǔn)模型，為探索其他新物理現(xiàn)象指明方向。理論學(xué)家指出，這意味著可能存在兩種中微子——左旋中微子（即迄今觀測(cè)到的常規(guī)輕型中微子）和更重的右旋中微子，后者目前僅是理論推測(cè)。（粒子“旋”性指其量子屬性。）

這些右旋中微子的質(zhì)量可能高達(dá)質(zhì)子的1015倍，且極不穩(wěn)定——誕生后幾乎會(huì)立即衰變。盡管它們?cè)诋?dāng)今宇宙中不復(fù)存在，但物理學(xué)家推測(cè)右旋中微子可能在大爆炸后的瞬間存在過，其衰變過程可能模擬了CP破壞現(xiàn)象，從而使物質(zhì)的生成優(yōu)于反物質(zhì)。

甚至有可能中微子能充當(dāng)自身的反粒子——即中微子可轉(zhuǎn)化為反中微子，反之亦然。這一假說若得到右旋中微子的發(fā)現(xiàn)支持，將使中微子在根本上區(qū)別于夸克和電子等更常見的粒子。若反中微子能轉(zhuǎn)化為中微子，這或許能解釋宇宙最初時(shí)刻反物質(zhì)的去向。

驗(yàn)證這一設(shè)想的一種方法是尋找一種理論上存在但迄今未被觀測(cè)到的特殊放射性衰變現(xiàn)象——即“無中微子雙β衰變”。在常規(guī)的雙β衰變中，原子核內(nèi)的兩個(gè)中子會(huì)同時(shí)衰變?yōu)橘|(zhì)子，過程中釋放出兩個(gè)電子和兩個(gè)反中微子。但若中微子能充當(dāng)自身的反粒子，那么兩個(gè)中微子便會(huì)相互湮滅，最終僅留下兩個(gè)電子和一束能量。

目前有多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行或計(jì)劃開展，旨在探測(cè)這種衰變過程，包括：中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室（世界上最深的地下實(shí)驗(yàn)室）的PandaX實(shí)驗(yàn)；位于日本神岡中微子探測(cè)站的KamLAND-Zen實(shí)驗(yàn)；位于加拿大安大略省SNOLAB設(shè)施的nEXO實(shí)驗(yàn)；位于西班牙坎弗蘭克地下實(shí)驗(yàn)室的NEXT實(shí)驗(yàn)；以及位于意大利格蘭薩索實(shí)驗(yàn) 室的LEGEND實(shí)驗(yàn)。其中KamL AND-Zen、NEXT和LEGEND實(shí)驗(yàn)已投入運(yùn)行。

盡管這些實(shí)驗(yàn)在細(xì)節(jié)上有所不同，但它們都采用了相同的總體策略：使用裝滿高密度放射性物質(zhì)的巨型容器，并配備探測(cè)器陣列來捕捉異常高能電子的發(fā)射。（這些電子原本伴隨的中微子將不復(fù)存在，其本應(yīng)攜帶的能量則由電子承載。）

位于水池內(nèi)（尚未灌水）的中心探測(cè)器（外部圖）。圖源：江門中微子實(shí)驗(yàn)

盡管中微子仍是已知粒子中最神秘的存在之一，但是科學(xué)家們正以緩慢而堅(jiān)定的步伐揭示它的奧秘。隨著這些秘密的逐步顯現(xiàn)，它或許將破解物質(zhì)主導(dǎo)宇宙的謎題——這個(gè)宇宙恰好孕育了我們這類充滿好奇的生物。

“我認(rèn)為我們正在進(jìn)入一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)代”——特納

作者：Dan Falk

翻譯：楠客

審校：姬子隰

fu

li

shi

jian

今天我們將送出由北京大學(xué)出版社提供的《居里夫人文選》。

本書收入了居里夫人的三部作品，分別是：居里夫人的博士論文《放射性物質(zhì)的研究》《居里傳》《居里夫人自傳》。書末特別收錄了豐富的史料，包括與居里夫人相關(guān)的榮譽(yù)、生平、論著，以及居里夫人與中國(guó)的學(xué)術(shù)淵源：施士元先生撰寫的《我的恩師居里夫人》，錢三強(qiáng)先生撰寫的《我與約里奧-居里夫婦》。 另有居里夫婦獲得諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)的獲獎(jiǎng)辭與授獎(jiǎng)辭。

【互動(dòng)問題：如果中微子真的是‘反物質(zhì)消失案’的幕后主謀，你覺得它最像下面哪種臥底？為什么？

A. 隱形人——穿墻而過，從不露臉

B. 變形者——路上隨時(shí)換身份（振蕩）

C. 分身大師——自己就是自己的反粒子，正反同體】

請(qǐng)大家嚴(yán)格按照互動(dòng)：?jiǎn)栴}答案的格式在評(píng)論區(qū)留言參與互動(dòng)，格式不符合要求者無效。

截止到本周四中午12：00，參與互動(dòng)的留言中點(diǎn)贊數(shù)排名第二、三、五的朋友將獲得我們送出的圖書一套（點(diǎn)贊數(shù)相同的留言記為并列，下一名次序加一，如并列第二之后的讀者記為第三名，以此類推）。

為了保證更多的朋友能夠參與獲獎(jiǎng)，過往四期內(nèi)獲過獎(jiǎng)的朋友不能再獲得獎(jiǎng)品，名次會(huì)依次順延

*本活動(dòng)僅限于微信平臺(tái)

編輯：姬子隰

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場(chǎng)