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宇宙如何存在?科学家开始追测神秘暗物质微中子

2024-11-24 206

“我们为什么存在?我们之上还有什么存在?”这可能是形而上学(Metaphysics)最古老基本的问题,我们必须存在,才能对存在这事实发出疑问。但我们如何能存在?哲学辩证的另一面,科学正在尽其所能帮助解开谜底,首先就从现在唯一一种可能的暗物质微中子下手。

现代主流宇宙学说认为宇宙起源于大爆炸,而大爆炸后应该产生等量的物质与反物质,但事实是,包括你、我、他、地球、遥远星系乃至整个宇宙都是由物质构成的,反物质除非能从稍纵即逝的放射衰变或宇宙射线等现象带来少量存在,其余都因为无可避免立刻与自然界物质碰触并湮灭,成为现代物理学最大的未解决问题之一。

能解释这种不平衡原因的其中一种论述是微中子(Neutrino,字面意义为“微小的电中性粒子”,也译作“中微子”)的性质。微中子是一种电中性的亚原子粒子,已有证据表明微中子具有质量,但其质量相比于其他亚原子粒子还是非常微小,而它可能是现在唯一一种已探测到的暗物质,属于一种热暗物质。

微中子同时还是一种轻子,因此不参与电磁交互作用以及强交互作用,只参与弱交互作用及重力交互作用。由于弱交互作用作用距离非常短,而重力交互作用在亚原子尺度下又十分微弱,因而微中子在穿过一般物质时不会受到太多阻碍,难以检测。

此外,科学家正在推测微中子可能是一种“马约拉纳费米子”(Majorana fermion),即它的反粒子就是它本身,这样便能解释它们可能在早期宇宙的不对称衰减,并且使我们今天看到的物质多于反物质。

包括麻省理工学院在内的一个国际小组正在一个地下天文台(Cryogenic Underground Observatory for Rare Events)进行实验,试图从原子核中观察到一种称为“中微子双 β 衰变”的罕见现象。

双 β 衰变分成“寻常双 β 衰变”和“无微中子双 β 衰变”两种过程,寻常双 β 衰变在多种同位素中都可观测到,过程中衰变核射出两电子和两反电微中子;但无微中子双 β 衰变(neutrinoless double-beta decay)只是一项假想过程,从未曾被观测过,过程中只会射出电子。

只要实验能证明中微子就是它们自身反粒子,即发生无微中子衰变,两个反微中子互相湮灭,将大大促进我们对宇宙构造的理解。

虽然实验进行了 2 个月,科学家报告说仍未发现这种罕见事件,但他们预估能在未来 5 年观察到至少 5 次无微中子衰变。如果 10~15 年内都看不到这种现象,就代表宇宙还藏有其他非常奇怪的行为。

  • CUORE experiments to determine crux of universe, matter and antimatter
  • “CUORE" experiment seeks to get to the heart of the matter – and antimatter
  • Scientists report first results from CUORE neutrino experiment
  • Why the universe shouldn’t exist at all

(首图来源:麻省理工学院新闻办公室)

2019-03-14 21:31:00

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