中微子镜面的裂缝与反物质失踪之谜

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撰文 | 邢志忠

2020年4月16日出版的《自然》（Nature）期刊封面以“The mirror cracked—An indication of matter-antimatter symmetry violation in neutrinos”（镜面裂了一条缝——来自中微子的物质-反物质对称性破缺）为题，报道了日本的 T2K长基线中微子振荡实验的最新成果：首次在3σ的统计置信度水平观测到中微子振荡过程中CP（电荷共轭与宇称反演联合变换）对称性破坏的证据。虽然这一实验结果早在2019年10月9日就已经通过arXiv网站公布了（arXiv:1910.03887），但是它如今正式发表在《自然》杂志还是引起了众多关注。原因何在呢？

图片来源：Nature自然科研新浪微博

T2K实验测量的是缪子型中微子从日本东海地区的J-PARC加速器产生之后，在地下传播295千米到达Super-Kamiokande超级神冈探测器的过程中转化为电子型中微子的概率。该实验也能够测量上述过程的CP共轭过程——即缪子型反中微子转化为电子型反中微子的过程——的概率，但统计量稍差。如果中微子振荡并不尊重CP对称性，那么其概率就不等于对应的反中微子振荡的概率。考虑到中微子和反中微子束流在地球物质中传播时会与物质发生不同的相互作用，T2K实验必须小心地避免这种“物质效应”（matter effects）所导致的“伪CP破坏”（fake CP violation）。经过近10年的运行取数，T2K实验组如今终于获得了中微子振荡过程中存在CP破坏效应的“证据”（evidence）！虽然这一结果还不足以被认定为“发现”（discovery），但却是走向令人信服的发现的重要一步！正在启动的下一代日本Hyper-Kamiokande超巨型神冈探测器实验项目和美国DUNE长基线中微子振荡实验项目，将有望圆满回答中微子的CP镜面是否存在裂缝的问题。

来源：T2K实验，http://t2k-experiment.org

众所周知，高能物理学界的惯例是一个实验结果只有达到5σ的统计置信度水平，才能被称作“发现”。例如2012年3月中国的大亚湾实验和欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验，就是分别在5.2σ和5.0σ的置信度水平宣布发现了短基线反应堆中微子振荡现象和“上帝粒子”——希格斯玻色子。相比之下，T2K的最新结果只有约3σ的置信度，达到了“证据”的要求，但还存在一定的不确定性。历史上，置信度不够高的实验结果最终被证明是假信号的例子其实很多。

但拥有良好声誉的T2K实验组确实给我们带来了希望：轻子部分的CP破坏现象不仅很有可能存在，而且其强度还远远大于夸克部分的CP破坏效应。正如T2K的实验结果所揭示的那样（如图所示），表征轻子混合矩阵中CP破坏程度的相位角的最佳拟合值约为252°或281°，分别对应中微子的正或倒质量顺序。此外，这一结果的获得强烈依赖最小的中微子混合角θ₁₃的输入值，而这个始终与CP破坏相位绑定的最小混合角正是由大亚湾实验的精确测量给出的。

毫无疑问，目前和未来的长基线中微子振荡实验若想确定轻子部分CP破坏的强度，不得不在很大程度上依赖反应堆中微子振荡的实验结果。大亚湾实验已经在测量角θ₁₃方面达到了世界领先水平，即将运行取数的JUNO江门中微子实验有望测定中微子的质量顺序，即最轻的中微子是否属于第一代（或是第三代）。这将对基于加速器的长基线中微子实验给予强有力的支持。反应堆和加速器中微子实验的完美协作，由此可见一斑。

那么，T2K实验所展示出来的中微子镜面的裂缝，能够帮助我们解释可观测宇宙的原初反物质失踪之谜吗？标准的大爆炸宇宙学告诉我们，宇宙起源之初，物质和反物质是等量产生的；当演化到一定阶段之后，比如今天，物质一照镜子便惊恐地发现，镜子里面什么都没有了！换句话说，今天的宇宙，只存在物质，原初反物质已经消失得无影无踪。

为了解决这一难题，苏联氢弹之父萨哈罗夫（Andrei Sakharov）早在1967年就指出，宇宙的重子与反重子不对称可能并不依赖于大爆炸的初始条件，而是从开始的完全对称状态通过动力学过程演变成后来的完全不对称状态。实现这样的动力学演变需要三个必要条件：重子数破坏、CP 对称性破坏和宇宙偏离热平衡。标准的电弱统一理论原则上满足前两个条件，但它却无法定量地解释可观测宇宙的重子数不对称之谜。究其原因，主要有两点：首先，由于除了顶夸克以外的其它五种夸克的质量都远远小于电弱相变的临界温度，所以标准模型所能提供的与宇宙的重子数不对称相关的CP 破坏效应太小；其次，由于希格斯粒子的质量较大（即125 GeV，明显大于45 GeV——产生足够强的一级相变所要求的希格斯质量的上限），这意味着电弱相变的强度有限，因此电弱反常的轻子数加重子数不守恒过程会始终很强烈，从而冲刷掉重子与反重子之间的不对称。

因此，合理解释可观测宇宙的物质与反物质不对称现象需要超越标准模型的新物理，而中微子质量起源的跷跷板（seesaw）机制恰好可以提供“一石二鸟”的新物理效应，其中的重自由度成为宇宙的轻子生成与重子生成的源头（即著名的leptogenesis机制），而在低能导致了极其微小的中微子质量、显著的味混合和CP破坏效应。因此，在中微子振荡实验中发现CP破坏现象的重要科学意义还在于，为借助跷跷板机制窥视宇宙早期的物质-反物质不对称起源开启了一扇希望之窗。

尤其在今天，大统一、超对称等高大上的理论模型毫无实验证据的情况下，与中微子相关的seesaw和leptogenesis机制成为最令人期待的破解宇宙的原初反物质失踪之谜的理论图像。这也许也从一个侧面说明了为什么T2K的实验结果虽然初步却广受关注。而未来中国的江门反应堆中微子振荡实验的结果，也同样令人期待。