密歇根州立大學的一名研究人員幫助領導了一項開創性的工作，使科學家們更加了解宇宙是如何開始的。
世界上最大的兩個中微子實驗——日本的 T2K 和美國的 NOvA——首次以前所未有的精度結合數據來研究中微子，這種幾乎看不見的粒子充滿了宇宙，但很少相互作用。
他們的聯合研究最近發表 自然提供迄今為止最準確的測量結果，了解中微子在太空中傳播時如何從一種類型轉變為另一種類型。這一里程碑為未來的研究鋪平了道路，可以加深我們對宇宙演化的理解，甚至挑戰當前的科學理論。
密歇根州立大學物理學和天文學教授兼 T2K 發言人肯德爾·馬恩 (Kendall Mahn) 幫助協調了此次合作。通過結合兩個實驗的優勢，團隊取得了他們自己無法取得的成果。
“這對我們來說是一次巨大的勝利，”馬恩說。 “這表明我們可以進行這些測試，我們可以更精確地研究中微子，並且我們可以讓它們一起工作。”
為什麼它存在於所有物質中
根據物理學家的說法，早期宇宙必定含有等量的物質和反物質。如果真是這樣的話，兩人早就徹底毀滅了。然而，這件事不知何故仍然存在，我們也沒有明確的原因。
許多研究人員認為，答案可能在於中微子的奇怪行為，中微子是不斷經過但很少相互作用的微小粒子。了解中微子振蕩的過程，即這些粒子在移動時改變“味道”，可能有助於解釋為什麼物質擊敗反物質。
“中微子還沒有被很好地理解，”參與該項目的密歇根州立大學博士後研究員約瑟夫·沃爾什說。 “它們的質量非常小，意味著它們不會經常相互作用。每秒有數百萬億個來自太陽的中微子經過你的身體，但幾乎所有中微子都會直接穿過。我們需要產生明亮的光源或使用非常大的探測器，讓它們有足夠的機會相互作用來觀察和分析它們。”
實驗如何進行
T2K 和 NOvA 被稱為長基線實驗。每個探測器都會向兩個探測器發送聚焦的中微子束：一個靠近源頭，另一個距離數百公里。通過比較兩個探測器的結果，科學家可以追踪中微子沿途如何變化。
由於這些實驗在設計、能量和距離方面有所不同，因此結合數據可以讓研究人員獲得更完整的了解。
NOvA 合作者 Liudmila Kolupaeva 表示：“通過聯合分析，您可以獲得比每個實驗單獨進行的更精確的測量結果。” “一般來說，高能物理實驗有不同的設計，即使它們具有相同的科學目標。聯合分析使我們能夠利用這些設計的互補特徵。”
中微子質量之謎
研究的一個主要焦點是所謂的“中微子質量排序”，它詢問哪種類型的中微子最輕。這並不像在天平上稱量顆粒那麼簡單。中微子以三種質量狀態存在，每種中微子都是這些狀態的混合物。
科學家們正試圖確定質量排列是否遵循“正常”模式（兩個輕和一個重）或“反向”模式（兩個重和一個輕）。在正常情況下，μ子中微子更有可能轉變為電子中微子，而反物質中微子則不太可能轉變為電子中微子。它以相反的方式發生。
中微子與其反物質對應物之間的不平衡意味著這些粒子違反了電荷宇稱（CP）對稱性的原理，這意味著它們的行為不像鏡像對立體。這種違反可以解釋為什麼物質在宇宙中占主導地位。
結果顯示什麼
NOvA 和 T2K 的綜合結果尚未最終表明有利於質量順序。如果未來的研究證實了正常秩序，科學家們仍需要更多數據來闡明CP對稱性是否已被打破。但如果相反的順序被證明是正確的，這項研究表明中微子可以打破CP對稱性，為解釋物質存在的原因提供了有力的線索。
如果中微子不違反CP對稱性，物理學家就會錯過對物質存在最有力的解釋之一。
儘管這些結果並沒有完全解開中微子之謎，但它們擴大了科學家對這些難以捉摸的粒子的了解，並顯示了國際物理學合作的力量。
NOvA 合作匯聚了來自 8 個國家 49 個機構的 250 多名科學家和工程師。 T2K 團體包括來自 15 個國家 75 個組織的 560 多名成員。兩個小組於 2019 年開始合作進行這項分析，將八年的 NOvA 數據與十年的 T2K 結果結合起來。這兩項實驗都在繼續收集新信息以供未來更新。
T2K 合作者 Tomáš Nosek 表示：“這些結果是兩次獨特合作的合作和相互理解的結果，兩者都涉及中微子物理、探測技術和分析技術方面的許多專家，在非常不同的環境中工作，使用不同的方法和工具。”
