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)不對稱性的解釋，但能夠解釋這種不對稱性的絕大多數(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)家們在粒子加速器及其他實(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)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室

物理學(xué)家最合理的推測是，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。

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?！?/p>

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稱性——而這些對稱性反過來又可能闡明最令人不安的不對稱，即宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不平衡。

對中微子研究者而言，電荷-宇稱（CP）對稱性是關(guān)鍵的對稱性原理。它實(shí)際上由兩種獨(dú)立對稱性組合而成：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)的不對稱性。

歐洲核子研究中心的大型粒子對撞機(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，這種新觀測到的CP對稱性破壞現(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ㄔO(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)無法精確測定中微子CP對稱性破壞的具體數(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。（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。盡管它們在當(dāng)今宇宙中不復(fù)存在，但物理學(xué)家推測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，旨在探測這種衰變過程，包括：中國錦屏地下實(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

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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】

請大家嚴(yán)格按照互動(dòng)：問題答案的格式在評論區(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

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