在宇宙中,所有的可见物质都是由夸克和轻子组成的。夸克有六种:上、下、奇、粲、底、顶。同样地,轻子也有六种:电子、μ子、τ子和三种中微子。这些基本粒子都有其相应的反物质粒子,它们具有相同的性质,但却拥有相反的电荷。在138亿年前,宇宙大爆炸后应产生了相同数量的物质和反物质。当它们相遇时会全部湮灭,只留下能量。然而,这样事情显然没有发生,否则今天我们就不会看到恒星、行星,甚至是生命的出现了。
究竟是什么导致了物质和反物质之间的轻微不对称性,使今天的宇宙全是由物质组成的,而不是反物质?已知的物理学定律还无法完全回答这个问题。1967年,物理学家Andrei Sakharov提出,如果宇宙满足几个条件那么就有可能演化出一个由物质主导的世界,其中一个条件便是CP对称性必须被打破。
曾经,物理学家认为物质和反物质应当遵循CP对称性,但在上个世纪60年代,物理学家发现夸克和反夸克打破了CP对称性。去年,物理学家也第一次在粲粒子衰变中观测到了CP破坏。但问题是,从夸克中所观察到的CP破坏的量完全不足以解释最初的物质和反物质之间的不对称性。一直以来,物理学家也试图在非夸克基本粒子系统中观测CP破坏,但没有成功,因此一些大型实验一直致力于寻找CP破坏的新来源。
4月15日,在一篇发表于《自然》的新论文中,来自T2K实验的科学家首次报告了他们可能在轻子中发现了CP破坏的证据。物理学家提出了一种“轻子数产生”的机制来解释为何轻子中的CP破坏可以产生物质-反物质不对称性。在这样的测量结果无疑是令人兴奋的。但如果想要最终肯定这一发现,就需要无比牢靠的证据加以佐证——他们需要超过99.9999%的置信水平才能确定真的发生了轻子CP破坏。
因此,研究人员还需要用更强的光束、更大的探测器、更精妙的实验设计,来更精确地测量振荡概率。
未来,下一代的中微子实验将迎面挑战这一重任。日本的T2HK实验就是一个基于与T2K实验相同的技术的升级版,它将使用T2K实验所用到的10倍质量的水和更强的光束。今年2月,T2HK已获得了官方批准,很快就将投入建设之中,它将与位于美国的DUNE一起,相互提供互补的技术和测量方法。或许在未来15年里,我们就能对为什么我们可以存在于这个宇宙中有着更清晰的答案。