科学家正利用宇宙中最冷的地方揭开反物质之谜

Borexino 是位于意大利中部大萨索国家实验室（Laboratori Nazionali del Gran Sasso）的高灵敏度中微子探测器。 它位于地下深处，使用超纯液体闪烁体探测低能太阳中微子，研究中微子和太阳过程的基本特性。 资料来源：Borexino 协作小组

探索宇宙奥秘： 意大利实验室

在意大利亚平宁山脉下的一个地下实验室里，国际科学家团队正在努力揭开粒子物理学最大的谜团之一。

加州理工学院物理学教授托马斯-古铁雷斯（Thomas Gutierrez）是参与这项开创性工作的 150 多名顶尖研究人员之一。 古铁雷斯是美国国家科学基金会（National Science Foundation）资助的一项为期三年、耗资 34 万美元的研究项目的首席研究员，在该项目中发挥着关键作用。

加州理工学院物理学教授托马斯-古铁雷斯（Thomas Gutierrez）是美国国家科学基金会（National Science Foundation）一项涉及粒子物理学的 34 万美元资助的主要研究者。 资料来源：加州理工学院

探索被禁止的核衰变 揭开中微子的秘密

这项研究在大萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）进行，该实验室位于意大利阿瑟吉（Assergi）附近，距罗马东北约 80 英里。 这一尖端设施吸引了来自加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、耶鲁大学、麻省理工学院、约翰霍普金斯大学、加州理工学院以及欧洲和亚洲著名大学等知名机构的科学家。

国家自然科学基金的资助涵盖了与加州理工学院差旅和有学生参与的实验相关的费用。 古铁雷斯和他的加州理工学院学生团队与其他科学家一起，正在探索与核衰变（也称放射性衰变）有关的未经证实的理论，即不稳定原子核通过辐射失去能量的过程。 他们的工作致力于帮助更好地解释为什么宇宙中充满了物质，并解决困惑了几代科学家的其他谜团。

"如果你能找到打破物理定律的东西，那就是发现，"古铁雷斯说。"我们目前正在寻找的是一种目前被物理定律所禁止的核衰变。 它不应该发生。 因此，如果它真的发生了，而这正是我们正在寻找的，那么它就会告诉你很多关于世界运行方式的信息。"

这项研究是在国际罕见事件低温地下观测站（CUORE）计划下开始的科学合作的延续，该计划现在被称为 CUPID（CUORE 粒子识别升级）。 在意大利语中，"cuore"是心脏的意思，因此用"cupid"作为该计划后续最新阶段的缩写。

古铁雷斯的研究领域侧重于中微子，中微子是一种质量极小的微小粒子。 中微子在宇宙大爆炸时大量存在，以接近光速的速度传播，也可能来自恒星爆炸等剧烈爆发。 中微子通常由放射性衰变产生。 由于中微子的相互作用不大，而且是中性的，因此有助于解释宇宙中与物质和反物质有关的谜团。

加州理工学院物理系教授托马斯-古铁雷斯（左）和加州理工学院物理系学生雷根-加西亚（Reagen Garcia）正在合作开展与 CUPID（CUORE 升级与粒子识别）计划有关的研究，该计划涉及一个国际科学家团队。 资料来源：加州理工学院

挑战物质-反物质对称性

在现代物理学中，所有粒子都有反粒子，即它们自己的反物质对应物：电子有反电子（正电子），夸克有反夸克，中子和质子（构成原子核）有反中子和反质子。

古铁雷斯说："根据物理定律，物质和反物质的数量应该相等，它们应该全部湮灭，消失，我们也不应该存在。然而，剩下的这一小部分物质就是我们。 我们为什么会存在？ 为什么会有那一丝存在？ 这真是个谜。"

根据一个长期存在的科学理论，中微子（电荷中性）可能是自己的反粒子。 但这一概念从未得到证实。 CUPID 的工作希望揭示无中微子双贝塔衰变的可能性，在这一放射性过程中，原子核释放出两个电子，但没有中微子。 观测到这种衰变将支持中微子是其反粒子的假设。

古铁雷斯说："如果发生了无中子双贝塔衰变，它就会告诉我们关于物质（不仅仅是这种物质，而是所有物质）如何存在的所有信息。这是非常强大的。"

加州理工学院物理学专业的 Reagen Garcia（如图）与一个科学家团队合作，正在意大利开展粒子物理学工作，这是 CUPID（CUORE 粒子识别升级）计划的一部分。 图片来源：加州理工学院

粒子探测技术的创新

古铁雷斯和国际科学小组正在合作研究二氧化碲晶体，这是一种碲元素和氧的混合物。有一种假设认为，碲同位素可以发生无中子双贝塔衰变。在这块晶体中，大约三分之一的碲核是正确的同位素。

古铁雷斯说："我们的想法是在这块晶体中使用一个探测器，测量它自身的衰变。它会沉积一定量的能量，使温度升高，我们可以观察到这一现象。 通过这种测试，在最好的情况下，我们希望能够说明的是，中微子是否是它自己的反粒子。"

意大利实验室所在地通过每个方向约一公里长的岩石和从古罗马商船残骸中提取的煮沸铅制成的六厘米厚的保护罩来屏蔽宇宙射线和其他天然放射性物质。 由于需要几个世纪的自然过程，用作实验室研究保护层的古铅本身不含放射性物质，这证明了几百年前的铅对科学的有效性。

意大利的设施是世界上最大的地下研究中心。 寒冷的研究条件被设计为约10毫开尔文或-441.74度华氏，是宇宙中同类规模最冷的地方。 这样的低温有助于粒子科学的研究，因为当粒子被冷却时，它们的运动速度会大大减慢，从而使科学家能够更精确地研究它们的行为。

古铁雷斯说，人们一直在"绞尽脑汁试图理解"围绕反物质与物质的理论，以及中微子可能如何参与其中。人们一直在探索许多不同的途径，但大约在30年前，人们就有了这样的想法：如果发生这种衰变，那么就能告诉我们物质的特性，这将意味着宇宙实际上确实在物质与反物质之间略有偏爱。"

加州理工学院的学生已经并将继续做出贡献，其中包括来自加利福尼亚州莫罗湾的物理专业学生雷根-加西亚（Reagen Garcia）。 她的部分工作包括对在意大利进行的实验进行远程探测器操作轮班。

加西亚说："CUORE需要持续监控，因此远程探测器操作轮班是实验的重要组成部分。这笔资助将帮助学生参加这些轮班。 它还将帮助把学生送到意大利或其他参与合作的大学。"

加西亚还在耶鲁大学的赖特实验室（CUPID实验的合作机构）进行了暑期工作，在那里对粒子探测器系统进行了测试。

"能够参与如此详细、具体的实验设计工作令人兴奋，"加西亚说。"过去在耶鲁的这个夏天是我有机会参与的最令人兴奋和最有价值的研究经历。"

编译自/ScitechDaily