Nature封面：「撼动宇宙的粒子」竟不对称，宇称不守恒的证明或揭开宇宙最大谜团

什么是中微子？用发现者核物理学家Clyde Cowan的原话讲，中微子是人类所能设想到的最微小的物质：质量轻微、不带电、自旋为1/2，是构成物质世界的基本单元。

中微子被称为“撼动宇宙的小粒子”。

无处不在却又神秘莫测，难以捕捉。它们从太阳和恒星的核反应中喷涌而出。每秒有几万亿个中微子穿越我们周遭的世界。

物理学家认为在混沌初开，大爆炸后一秒钟，宇宙迅速的膨胀，中微子再也无法同有电磁力、强力作用的粒子相撞，中微子同时也停止了和其他粒子的弱作用力，成为宇宙中独自飘荡的旅人。

从此，中微子看尽宇宙中星球的诞生与毁灭、文明的兴盛与衰败，看透永恒与无常。

中微子还有个镜像双胞胎叫反中微子。

在本周的《自然》杂志上，研究人员追随Cowan的脚步，认为中微子和反中微子之间的行为差异，或者说不对称性，可能有助于解释宇宙中最大的谜团之一，物质为何多于反物质。

这种不对称性似乎就解释了为什么宇宙大爆炸期间，物质比反物质多出那么多，也就进一步解释了今天我们世间万物的存在。正反物质相遇时，双方就会彼此湮灭。如果正反相互抵消，那么当初留给我们茫茫宇宙的就只剩下光子和暗物质。人类也当然不曾存在。世间枯荣，在此一瞬。

新研究主要归功于日本的T2K粒子物理实验室，T2K意思是日本的东海（Tokai）到神冈（Kamioka），这是一个国际粒子物理合作项目，由数百名物理学家组成。早在2016年，T2K 团队开始看到中微子和反中微子行为不对称的迹象。经过多年的数据收集和分析，他们的最新证据也越来越详实。

T2K实验室

T2K实验室发言人，日内瓦大学的 Federico Sanchez Nieto在《自然》杂志上报道了最新的实验结果。他说: “我很兴奋，因为这是我们第一次有了可靠的证据。”

自20世纪90年代以来，实验发现表明，中微子有三种“味”，分别为电子e、渺子μ和陶子τ中微子。这里说的“味”不是味觉的“味”，而是基础粒子的一种属性。任何一味的中微子都会随着时间变化而“变味”，也就是振荡。

自2010年以来，T2K 的科学家们一直在制造高密度的μ介子中微子和反中微子束，并将它们传送到295公里外的超级神冈探测器中微子观测站，那里有一个地下装有50000吨纯水的大水箱，还装着传感器。

1996年实验初期向水箱中灌水

中微子到达时，会与水箱内的原子相互作用，辐射指示器会发出闪光。科学家们努力想看看，这些中微子和反中微子在它们的“越野旅行”中是否会发生振荡，从 渺子μ 变成了电子e。而一直到2013年7月19日都没有没有观察到振荡迹象。

但最新的数据表明，中微子比反中微子有更高的振荡概率，这种区别可以用宇称不守恒来表示。宇称不守恒，是粒子物理学中的一个术语。它说明在一个物理过程中的宇称对称被破坏了。

实验中，如果宇称守恒，则表明中微子和反中微子行为相同，按道理实验将会检测到大约68个电子中微子和20个电子反中微子。但事实是，实验中发现了90个电子中微子和只有15个电子反中微子，这种中微子和反中微子高度不均等的结果证明，宇称不守恒很可能不仅仅是理论。

研究人员表示，“我们点燃了第一根蜡烛，但是终极大奖——对宇称不守恒的最终发现——还没有到来。”

美国的 NOvA 实验也在检测中微子振荡，用来发现宇称不守恒。但即使把T2K实验室和NOvA的结果加起来，也不能证明结论的完全准确。

未来，美国将于2027年开展一个更大规模的实验，名为 DUNE。T2K 的后续实验叫做 T2HK，应该能够进一步测量到精准的宇称不守恒。

一直以来人类都坚定的认为宇宙是对称且守恒的：有左就应该有右，有正就应该有负，有死就应该有生。大到故宫的设计、小到普通的鞋子，都能看到对称的影子。

对称建筑

然而在1956年，两位华人物理学家杨振宁和李政道却提出了震动整个科学界的理论：宇称不守恒，又称CP破坏或CP不守恒。

杨振宁和李政道

他们认为，θ-τ之谜所带来的宇称不守恒问题不是一个孤立事件，宇称不守恒很可能就是一个普遍性的基础科学原理。

同时他们发现，在强相互作用领域，宇称守恒定律确有严格证明，可是在弱作用领域中，虽然宇称守恒这假设被广泛应用，但是事实上宇称守恒定律从未得到过真正的实验验证。

之后，美籍华裔物理学家吴健雄和美国国家标准局科学家安伯勒等合作，用简洁明了的实验验证了弱相互作用中宇称不守恒的猜想。

吴健雄的实验

该理论推翻了物理学界30年来信仰的“宇称守恒定律”。由于宇称不守恒定律的重大突破性太过明显，诺贝尔奖评委毫不犹豫的在来年的评选中，直接向两位物理学家颁发了诺贝尔物理学奖。

中微子间的宇称不守恒解释了宇宙早期物质是如何诞生的。

这一理论涉及到中微子的另一个显著特性: 它们都是“左撇子”，也就是说那些向你飞奔而来的中微子看起来总是顺时针飞速旋转。而所有的反中微子都是右撇子，逆时针方向旋转。

对此，专家们还提出了一个“跷跷板”理论：中微子和反中微子曾经也质量很大，而且旋转方式不同。这些超大质量粒子很可能在炎热高能的宇宙早期形成，并且在那个宇宙时期迅速衰变为质量更轻的粒子。而就在衰变的过程中，发生了不对称，产生了多余的物质，也就衍生出了今天的宇宙和世间万物。

与此同时，又出现了另外一个问题: 那些超重的中微子和反中微子，究竟是如何衰变的呢。物理学家正在寻找一种极其罕见的核衰变来解释。但是到目前为止还没有进展。

1930年，奥地利物理学家泡利提出了中微子假说，认为这种粒子静止质量为零、电中性，穿透性极强，可以轻松穿越地球，速度接近光速。

但这种粒子物质的相互作用又极其微弱，很难探测到。这样的物质简直太让人着迷了！几十年来物理学家们一直尝试用各种方法去探测，甚至捕获它，使得中微子研究领域硕果累累，仅因为中微子而诞生的诺贝尔奖就有6次，堪称诺贝尔奖生产机。

1956年，美国人莱因斯和柯万首次在实验中直接观测到中微子，获得1995年诺贝尔奖。

莱茵斯

1962年，美国人莱德曼，舒瓦茨，和斯坦伯格利用布鲁克海汶实验室的15GeV质子加速器AGS，建立了世界上第一条中微子束流。发现第二种中微子——μ中微子，获1988年诺贝尔奖。

1968年，美国戴维斯首次探测到太阳中的中微子，获2002年诺贝尔奖。

1987年，神冈实验与美国IMB实验首次探测到超新星中微子，小柴昌俊和戴维斯分享2002年诺贝尔奖。

小柴昌俊

1998年，日本超级神岗器发现中微子振荡现象，梶田隆章获2015年诺贝尔奖，该发现证明了中微子质量不为零。

2001年，加拿大SNO实验证实失踪的太阳中微子转换成了其它中微子，阿瑟·麦克唐纳获2015年诺贝尔奖。