印第安納大學的研究人員透過兩個領先的國際中微子實驗之間的合作，幫助我們對宇宙的理解取得了重大進展。中微子是極其微小、幾乎無質量的粒子，它們不斷穿過太空、行星甚至我們的身體，但很少與任何物體相互作用。結果發表在期刊上 自然 科學家們距離回答一個深刻的問題又更近了一步：為什麼宇宙中包含恆星、行星和生命等物質，而不是空無一物？
這項突破來自對美國 NOvA 試驗和日本 T2K 試驗數據的前所未有的聯合分析。這兩個長距離中微子專案是同類專案中最先進的。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立即自毀。
在這兩項實驗中，科學家使用粒子加速器產生中微子束，並將它們穿過遙遠的地下傳送到大型探測器。檢測它們非常困難。在產生的無數粒子中，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，並研究中微子在傳播過程中如何變化。
幾十年來，印第安納大學在這項工作中發揮了關鍵作用。印第安納大學的科學家為建立檢測系統、解釋數據和指導年輕研究人員做出了貢獻。印第安納大學伯明頓分校文理學院傑出教授兼物理系系主任 Mark Messier 自 2006 年以來一直擔任該計畫的領導職務。印第安納大學的其他研究人員包括物理學家 John Orrheim 和 James Moser（榮譽退休）、天文學教授 Stuart Mufson（Imertius）以及印第安納大學化學學院的 Jonathan Carty。
中微子和反物質之謎
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，因此極難被發現。然而，同樣的特性使它們成為探索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物質主宰宇宙。人們認為大爆炸創造了等量的物質和反物質。當物質和反物質相遇時，它們會在能量波中相互湮滅。如果早期宇宙中兩者的數量完全相同，那麼一切都會消失。相反，平衡稍微有利於物質，使得星系、恆星、行星和生命得以形成。
科學家認為中微子可能有助於解釋這種不平衡。中微子以三種類型或「風味」存在，稱為電子、μ子和τ子。當它們在空間中移動時，它們可以在稱為振盪的過程中從一種口味切換到另一種口味。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佔上風。
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 離軸外觀實驗）實驗將中微子束從芝加哥附近的費米國家加速器實驗室 810 公里處發送到明尼蘇達州阿什河的 14,000 噸重的探測器。同時，日本的 T2K 計畫從東海的 J-PARC 加速器向 295 公里外的 Ikinoyama 山下的巨型 Super-Kamiokande 探測器發射光束。
透過共同分析結果，研究人員能夠提高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 跨越地球的距離更長，T2K 光束更短但更強烈，兩者提供了互補的優勢，使科學家能夠以極高的精度比較和改進他們的測量結果。
編譯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。結果集中在 CP 對稱性（電荷宇稱對稱性）上，即物質和反物質應遵循相同的物理定律並互為鏡像的原理。
然而，可觀測的宇宙主要由物質組成，自大爆炸以來，反物質所剩無幾。綜合結果表明，中微子和反中微子的振盪方式可能存在差異，這表明可能違反CP對稱性。簡單來說，中微子的行為可能與它們的反物質對應物並不完全相同。這種微妙的差異可能是解釋物質為何持續存在的關鍵線索。
「我們在這個看似棘手的大問題上取得了進展：為什麼有東西而不是沒有？」梅西耶教授說。 “我們為未來旨在利用中微子解決其他問題的研究計劃鋪平了道路。”
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。聯合研究工作得到了美國能源部的資助。
梅西耶指出：“由於高能物理學的發展，社會各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、人工智能和電子領域，然後憑藉他們在試圖回答這些真正棘手的問題時獲得的深厚技能進入行業。”
NOvA 和 T2K 之間的合作包括來自美國、歐洲和日本十幾個國家的數百名科學家。他們的聯合分析顯示了國際合作的科學力量。
博士國際單位。目前參與這項聯合研究的學生包括 Reed Bowles、Alex Zhang、Honey Chen、Erin Ewart、Hannah LeMoyne 和 Maria Manrique Plata。自 2014 年 NOvA 啟動以來，Messier 和他的同事也指導了幾名印第安納大學研究生和本科生進行實驗。
此次合作提供了未來大粒子物理計畫將如何運作的預覽。對於印第安納大學及其合作者來說，這些發現為基於這項工作的更嚴格的研究打開了大門。
梅西耶說：“作為一名物理學家，我發現令人驚奇的是，一個大問題，比如為什麼宇宙中存在物質而不是反物質，可以分解為更小的、逐步的問題。” “我們實際上可以在回答我們為何存在於宇宙中的問題上取得進展，而不是被它的巨大性壓倒。”
發布日期: 2026-03-04 00:59:00
來源連結: www.sciencedaily.com
