得益於兩個世界領先的中微子實驗的新綜合分析，科學家們距離解決物理學中一個長期存在的謎團——為什麼宇宙中含有任何物質——又近了一步。
通過收集近 16 年的測量數據，美國的 NOvA 實驗和日本的 T2K 實驗得出了迄今為止最準確的圖像，顯示了中微子及其反物質雙胞胎在運動過程中如何變化。結果 發表 10 月 22 日發表在《自然》雜誌上的文章致力於尋找這些粒子行為方式的微妙差異，這些差異可能有助於解釋為什麼物質在早期宇宙中戰勝了反物質。
扭轉局面的主要嫌疑人是： 中微子它們是可怕的、幾乎無質量的粒子，遍布宇宙，但很少與任何東西相互作用。這就是為什麼科學家經常將它們稱為“幽靈粒子”。物理學家長期以來一直想知道中微子和反中微子的行為是否與實驗檢測到的不同。即使是細微的差異或所謂的差異 違反CP原則它可以揭示物質如何到達宇宙的邊緣。
“雖然還有很多東西需要理解，但關鍵的實驗問題很明確：我們會在中微子中看到對稱性破壞嗎？如果是的話，它會有多大？” 瑞安帕特森加州理工學院物理學教授兼 NOvA 團隊聯合負責人告訴 Space.com
中微子改變“味道”
中微子之所以如此難以捉摸和有趣，部分原因在於它們改變身份的能力。它們具有三種“風味”，當它們在空間中移動時，它們會在這些類別中波動。因為每種味道都是三種質量狀態的混合物。隨著中微子的移動，那些隱藏質量的狀態將會改變。這導致顆粒從一種味道變成另一種味道。
“如果你認為口味是草莓、巧克力和香草，這就像在回家的路上發現你的草莓冰淇淋甜筒變成了巧克力一樣。” 加州理工學院聲明 解釋
追踪這些味道變化科學家們已經能夠測量控制中微子振蕩的微小質量差異。並將中微子與反中微子的行為進行比較。它可以檢查 CP 違規情況。
為此，NOvA（縮寫 NuMI 離軸 ν乙 形狀）從芝加哥附近的費米實驗室向 800 公里外明尼蘇達州的探測器發射了中微子束。跨越太平洋，日本的 T2K（東海到神岡）實驗將自己的光束從東海的日本質子加速器研究中心發送到探測器，距離 295 公里。大型超級神岡探測器埋在神岡市一座山下 0.6 英里（約 1 公里）處。
這是因為實驗是在不同的距離和不同的能量下進行的。因此，每個實驗都捕獲了中微子振蕩的互補特徵。結合這些數據，研究人員可以分離出控制中微子動力學的微妙參數。
耦合分析的一個重要結果是對最基本的振動參數之一（稱為中微子質量分離）的詳細測量。目前，雙方合作已將該值限制在 2%，使其成為有史以來報告的最準確的測量值之一。
“它支持其他測量。我們所做的一切，”帕特森說。他補充說，這一進展也為定義中微子質量等級開闢了道路。這是三個中微子質量狀態的仍未知的順序。
“截至今天，我們認識到三個中微子家族的存在。每個家族都有不同的質量。” 費德里科·桑切斯但一位專門研究中微子物理的實驗物理學家和一位長期的 T2K 合作者告訴 Space.com，我們仍然對為什麼有三個而不是兩個、四個或更多缺乏基本的了解。為什麼質量差異會基於我們觀察到的特定值？ ”
“質量等級不僅是許多理論計算和預測的基石，而且還提供了可以直接與現有模型進行比較的切實結果，”他補充道。
質量等級如何影響中微子和反中微子的不同振盪？這是在所謂的正常層次結構中查找 CP 違規的重要部分。所謂的三種中微子“味道”之一。介子中微子 它們比介子更容易轉化為電子中微子。反中微子是它們的反物質對應物轉變為電子的反中微子。在倒置的層次結構中，這種模式將會翻轉。
新的聯合分析無法揭示等級偏好的本質。但如果未來的數據顯示層次結構是倒置的，帕特森表示，當前的數據集已經暗示，如果數據正確地顯示了正常的層次結構，中微子可能會違反CP對稱性。需要更多數據來理清競爭效應。
“中微子物理學是一個奇怪的領域。很難區分其影響。” 肯德爾·馬恩密歇根州立大學的一位教授兼 T2K 聯合發言人在加州理工學院的一份聲明中表示，“結合這些分析，我們可以分離出這些影響之一。這就是進步。”
中微子科學的新共享“語言”
除了直接的物理結果之外，研究人員表示，此次合作最重要的成就之一是開發了一個共同的初始框架，一種用於描述實驗中中微子相互作用的共享“語言”。
儘管所有實驗都基於相同的基本物理原理，但每個實驗都根據其獨特的探測器設計做出了不同的估計和方法選擇。桑切斯說道。最重要的假設是關於中微子如何與物質相互作用的假設。這對於精確的能量重建是必要的。桑切斯說，以及在給定能量下產生的中微子數量。
他指出，即使這些模型中的微小差異也會影響振盪模式的解釋。通過結合這些假設，合作創建了一個起始模板，未來的實驗可以使用該模板來確保他們的發現具有直接可比性。
“這些測量的準確性很重要。這是因為即使很小的偏差也可能表明與模型的偏差。這可能會揭示新的物理學，”桑切斯告訴 Space.com。 “協議越準確越好。我們越有信心我們的解釋是正確的。”
時機再好不過了。科學家表示，這樣一個統一的框架對於下一代高靈敏度實驗——地下深處中微子實驗是必要的。逼債）在伊利諾伊州和南達科他州以及 超神神 在日本，這些新探測器目前正在建設中，預計將於 2028 年投入運行，其測量結果將比 NOvA 或 T2K 靈敏得多，有可能在未來十年提供 CP 違規的明確證據。
如果中微子真的以不同的方式對待物質和反物質呢？科學家們可能終於發現了宇宙以我們今天所知道的形式存在的長期尋找的原因。
已有針對這些結果的研究。 發表 10 月 22 日發表於《自然》雜誌
