中微子可以解釋為什麼物質會在大爆炸中存活下來

這項突破來自於對美國NOvA實驗和日本T2K數據的前所未有的聯合分析。這兩個遠端中微子專案是同類專案中最複雜的。透過結合他們的研究結果，研究人員可以更好地研究中微子及其反物質對應物，從而深入了解為什麼宇宙在大爆炸後沒有自毀。

在這兩個實驗中，科學家使用粒子加速器產生中微子束，並將它們發送到地下很遠距離的大型探測器。檢測它們非常困難。在產生的許多粒子中，只有一小部分留下可測量的訊號。然後使用先進的探測器和強大的軟體來重建這些罕見的相互作用並研究中微子如何變化。

幾十年來，印第安納大學在這項工作中發揮了重要作用。印第安納大學的科學家幫助建立探測器系統、解釋數據並指導年輕研究人員。印第安納大學伯明頓分校藝術與科學學院傑出物理學教授 Mark Messier 自 2006 年起擔任計畫負責人。參與的印第安納大學研究人員包括物理學家 Jon Urheim 和 James Musser（榮譽退休人員）、天文學教授 Stuart Mufson（榮譽退休人員）和印第安納大學化學系的 Jonathan Karty。

中微子和物質反物質之謎

中微子是宇宙中最常見的粒子之一。它們不帶電荷，幾乎沒有質量，這使得它們極難被發現。然而，這項特性使它們成為研究最深刻的物理定律的寶貴工具。

宇宙學中最大的謎團之一是為什麼宇宙是由物質主導的。大爆炸一定創造了等量的物質和反物質。當物質和反物質相遇時，它們會在能量爆炸中相互摧毀。如果早期宇宙中兩者的含量完全相同，那麼一切都會消失。相反，輕微的不平衡有利於物質，使星系、恆星、行星和生命得以形成。

科學家認為中微子可以幫助解釋這種不平衡。中微子有三種類型，即電子、μ子和τ子。當它們在空間中移動時，它們可以在一種稱為振盪的過程中改變味道。如果中微子和反中微子的振盪不同，這種差異可能表明為什麼物質最終占主導地位。

NOvA 與 T2K 聯手

這項新的《自然》研究之所以引人注目，是因為它結合了兩個主要中微子觀測站的數據。 NOvA（NuMI 離軸 νe 外觀實驗）將中微子束從芝加哥附近的費米國家加速器實驗室送到 810 公里外明尼蘇達州阿什河的 14,000 噸探測器。同時，日本的 T2K 計畫從東海的 J-PARC 加速器向池野山下的 Super-Kamiokande 大型探測器發射了 295 公里的光束。

透過共同分析結果，研究人員提高了測量中微子行為的能力。根據新聞稿 自然「結合分析利用了兩個實驗的互補敏感性，並展示了合作的價值。」 NOvA 跨越地球的長距離和 T2K 較短但更強的光束提供了互補的優勢，使科學家能夠以非凡的精度比較和完善他們的測量結果。

結合資料集使團隊能夠更好地定義控制中微子振盪的參數，特別是與中微子和反中微子之間的差異相關的參數。結果基於CP對稱性（電荷宇稱對稱性），即物質和反物質必須遵循相同的物理定律，互為鏡像。

然而，可觀測的宇宙完全由物質組成，大爆炸留下的反物質很少。綜合發現表明，中微子和反中微子的振盪方式可能存在差異，表明可能違反CP對稱性。簡單來說，中微子可能不像它們的反物質對應。這種微妙的差異可能是判斷此事是否存續的關​​鍵線索。

「我們在一個真正大的、看似棘手的問題上取得了進展：為什麼有東西而不是沒有？」梅西耶教授說。 “我們已經為未來的研究計劃奠定了基礎，旨在利用中微子解決其他問題。”

技術、培訓和全球合作

大規模粒子物理實驗常常產生超越基礎科學的益處。為中微子探測而開發的技術，包括高速電子設備和先進的數據分析系統，通常在工業中得到實際應用。這項聯合研究工作得到了美國能源部的資助。

梅西耶說：“高能物理學在社會各個領域都出現了革命性的技術創新。” “此外，下一代科學家沉浸在數據科學、機器學習、人工智慧和電子學領域，然後進入擁有深厚技能的行業，試圖回答這些真正困難的問題。”

NOvA 和 T2K 的合作涉及來自美國、歐洲和日本等十幾個國家的數百名科學家。他們的共同分析證明了國際合作的科學力量。

印第安納大學博士目前參與這項聯合研究的學生包括 Reed Bowles、Alex Chang、Hanyi Chen、Erin Ewart、Hannah LeMoine 和 Maria Manrique-Plata。自 2014 年 NOvA 啟動以來，Messier 和他的同事也指導了許多從事該實驗的印第安納大學研究生和本科生。

此次合作設想了未來主要粒子物理計畫的運作方式。對於印第安納大學及其合作者來說，這些結果為基於這項工作的更詳細的研究打開了大門。

梅西耶說：“作為一名物理學家，我發現將一個大問題分解成更小的、逐步的問題是很有趣的，比如為什麼宇宙中存在物質而不是反物質。” “我們不必被這件事的恐怖弄得眼花繚亂，而是可以大踏步地尋找我們為何存在於宇宙中的答案。”