【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】本周，包括麻省理工学院研究人员在内的国际物理学家小组报告了地下实验的第一个结果，该实验旨在回答物理学最基本的问题之一：为什么我们的宇宙主要由物质构成？根据理论，大爆炸应该产生等量的物质和反物质——后者由“反粒子”组成，它们本质上是物质的镜像，只与质子、电子、中子和其他粒子的电荷相反。然而我们生活在一个绝对物质的宇宙中，主要是由星系、恒星、行星和我们在我们周围所看到的一切事物所构成——而且几乎没有反物质。物理学家认为，在大爆炸之后的第一个时刻，某些过程肯定会使天平偏向物质。一个这样的理论过程涉及到中微子——一种粒子，尽管它几乎没有质量，与其他物质几乎没有相互作用，但它被认为渗透到宇宙中，每秒钟都有数以万亿的幽灵般的粒子在我们的身体里无害地“流着”。
低温恒温器中安装的19个CUORE塔的底视图。图片：CUORE Collaboration
中微子可能是它自己的反粒子，这意味着它可能有能力在物质和反物质之间进行转换。如果是这样的话，物理学家们相信这可能解释了宇宙的不平衡，因为在大爆炸后产生的更重的中微子，会在不对称的情况下衰变，产生更多的物质，而不是反物质本身。一种确认中微子是它自己的反粒子的方法是探测一种非常罕见的过程，称为“中微子双衰变”，在这种过程中，一种稳定的同位素，如碲或氙，会释放某些粒子，包括电子和反中微子，因为它自然会衰变。如果中微子确实是它自己的反粒子，那么根据物理学的规则，反中微子应该相互抵消，而这个衰变过程应该是“中性的”。这一过程的任何测量都只能记录从同位素中逸出的电子。
这个名为CUORE的地下实验是为罕见事件的低温地下观测站所设计的，目的是探测一种由988个碲化碲的自然衰变而产生的中性双衰变。在本周发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)的一篇论文中，研究人员，包括麻省理工学院(MIT)的物理学家们，报告了CUORE收集的头两个月的数据(意大利语为“心”)。虽然他们还没有发现泄密的过程，但他们已经能够设定最严格的限制，如果存在的话，这一过程应该花费多少时间。根据他们的研究结果估计一个碲的单个原子应该经历一个中微子的双衰变。
考虑到实验中988个晶体中大量的原子，研究人员预测，在未来的5年内，他们应该能够检测出至少5个正在经历这个过程的原子，如果它存在的话，就能提供确凿的证据，证明中微子是它自己的反粒子。麻省理工学院物理学的职业发展助理教授，也是该研究的负责人CUORE成员Lindley Winslow说：这是一个非常罕见的过程——如果观察到，这将是迄今为止测量过的最慢的东西，最令人兴奋的是我们能够一起运行998个晶体，现在正在寻找一些东西。CUORE的合作包括大约150名主要来自意大利和美国的科学家。包括温斯洛和麻省理工学院的一小队博士后和研究生。
宇宙中最冷的立方体
在意大利中部的一座山深处，库尔实验被埋在地下深处，以保护它不受外界刺激的影响，比如来自宇宙的辐射源的持续轰击。这个实验的核心是一个由19个塔组成的探测器，每个塔包含52个立方体形状的碲化硅晶体，总共有988个晶体，质量大约为742千克，即1600磅。科学家们估计这一数量的晶体包含了大约100个由碲同位素组成的大约100亿个原子。电子和温度传感器附着在每个晶体上，以监测它们衰变的迹象。整个探测器位于一个超旧的冰箱内，大约相当于一台自动售货机的大小，它的温度保持在6毫开尔文，即-459.6华氏度。研究人员之前曾计算过，这台冰箱是宇宙中最冷的立方米。
为了探测到一个碲原子的衰变所产生的温度的微小变化，这个实验需要保持非常的低温。在正常的双衰变过程中，碲原子释放出两个电子，以及两个反中微子，它们以热的形式产生一定的能量。如果是中性的双衰变，两个反中微子应该相互抵消，只有两个电子释放的能量才会产生。物理学家此前计算过，这种能量必须在2.5兆电子伏特(Mev)左右。在库雷手术的头两个月里，科学家们基本上一直在测量988个碲晶体的温度，寻找在2.5 Mev标记周围的任何微小的能量峰值。
研究低温恒温器的研究人员，图片：CUORE Collaboration
库雷就像一个巨大的温度计，当你看到晶体上的热沉淀时，就会看到一个可以数字化的脉冲。然后看一下这些脉冲，脉冲的高度和宽度对应着能量的大小。然后放大数出有多少事件在2.5兆，我们基本上什么也没看到。这可能很好，因为我们在头两个月的数据中没有看到任何东西。结果或多或少地表明，在CUORE迄今为止所操作的短窗口内，探测器上的1000亿个碲原子中，没有一个经历了中微子的双衰变。从统计学上来说，这意味着如果一个原子实际上是它自己的反粒子，一个原子要经历这个过程至少需要10年或者数年。
温斯洛说：对于碲化碲来说，这是我们所获得的这一过程生命周期的最佳极限。CUORE将继续监测未来5年的晶体，研究人员正在设计实验的下一代，他们称之为CUPID-a探测器，将在更多的原子中寻找同样的过程。在科学家们得出最终结论之前，还有一个更大的迭代是可能的。如果我们在10到15年内看不到它，除非大自然选择了非常怪异的东西，中微子很可能不是它自己的反粒子，。粒子物理学告诉你，对于中微子来说，还有更多的回旋余地，它仍然是它自己的反粒子，而你却没有看到它。没有那么多地方可以隐藏。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：物理评论快报
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：麻省理工学院
编译：光量子
审校：博科园
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