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几乎所有的粒子都有它们的反粒子伙伴。自反物质被提出来后，一直是科幻小说中的常客。例如在《天使与魔鬼》中，坏人们就试图用反物质炸弹摧毁梵蒂冈，幸好兰登教授帅气的阻止了这个阴谋。而在《星际迷航》里，企业号宇宙飞船的燃料正是反物质，利用正反物质的湮灭作为动力实现光速飞行。 如果你被反物质的真实存在所吸引，那么今天要讲的内容则更加迷人。在所有已知的粒子中，有一种非常特别的粒子，叫“中微子”。每一秒，都有数万亿的中微子穿过我们的身体，但我们却毫无察觉。这种幽灵般的粒子一直都是前沿研究热点，物理学家渴望多了解它们一些。 △ 中微子工厂：它们来自太阳、超新星和核裂变等。（图片来源：Nature） 那么现在的问题是，中微子的反粒子是什么？物理学家认为它们的反粒子很有可能是它们自己！！！ 这是怎么回事？ 故事要从大物理学家狄拉克说起。 【狄拉克 VS 马约拉纳】 1928年，狄拉克（Paul Dirac）提出了著名的狄拉克方程，并预言了反粒子的存在。他的工作涉及到解释当电子以光的速度运动时会发生什么。但他的计算有一个奇怪的要求，那就是电子有时拥有负能量。换句话说，反粒子是狄拉克方程的必然结果。 1932年，反粒子的存在就得到了验证。物理学家安德森（Carl Anderson）发现了电子的反粒子，并称之为正电子——跟电子一样的粒子但具有正电荷。 除了具有反电荷外，狄拉克还预言了另一个反性质，称为手征性——粒子拥有的内在量子性质。一个粒子可以是右手征或左手征。 狄拉克的方程允许中微子和反中微子是不同的粒子，因此有四种可能类型的中微子：右手征中微子、左手征中微子、右手征反中微子和左手征反中微子。 但如果，正如过去所认为的那样，中微子没有质量，那么只有左手征中微子和右手征反中微子需要存在。 △ 我们一般认为物质和反物质是不同的，就像天使与恶魔。但是马约拉纳中微子却同时是天使与恶魔。（图片来源：Fermilab Today） 1937年，意大利物理学家马约拉纳（Ettore Majorana）提出了另一个理论：中微子和反中微子事实上是一回事。马约拉纳方程描述的是，如果中微子是具有质量的，那么中微子可以转换成反中微子，再变回中微子。 【物质和反物质的不平衡】 中微子到底是有质量还是没有质量？这个谜题一直等到了1998年才被揭开，日本的超级神冈探测器和加拿大SNO实验发现中微子确实具有非常小的质量，他们也因此被授予2015年诺贝尔物理学奖。 自那之后，全世界各地都开启了中微子实验（包括我国的大亚湾中微子实验室），寻找中微子是否是自己的反粒子的证据。 找到这个证据的关键东西被称为“轻子数守恒”。科学家认为自然的基本定律要求轻子数守恒，也就是说轻子和反轻子的数量在发生相互作用的前后必须保持一样。 科学家认为在宇宙大爆炸后，宇宙应该包含等量的物质和反物质。这两种类型的粒子应该相互作用，并逐渐相互湮灭，最后只剩下能量。但不知发生了什么，事情并没有按预期的发生，在大爆炸后有更多的物质产生了。 因此，找到轻子数不守恒的证据就能够回答我们“为什么现在所看到的宇宙都是由物质构成的，而不是反物质。” 【寻找最罕见的衰变】 而寻找违反轻子数的关键在于一个叫做“无中微子双β衰变”的过程。一个“普通”的双β衰变允许一个罕见的衰变过程发生：原子核内的两个中子会同时衰变成两个质子、两个电子和两个反中微子。这样就能够使衰变过程的前后轻子数守恒。这已经在一些原子核中被观测到了。 △ 左边：双β衰变，会释放出反中微子；右边：无中微子双β衰变。（? CANDLES experiment） 但如果中微子是它们自身的反粒子，就有可能在双β衰变过程中释放的反中微子和另一个相互湮灭从而消失，并违反了轻子数守恒，造成了物质和反物质之间的不平衡。这个过程被称为无中微子双β衰变。 发现无中微子双β衰变无疑意味着新物理的出现，因此有许多大型实验室都利用了不同的技术和同位素来寻找该衰变的蛛丝马迹。在众多实验中，锗探测器阵列（GERDA）属于领先的实验室之一，它位于意大利格朗萨索国家实验室地下1.4公里深处。锗探测器被置放在一个64立方米的冷液氩中，温度为零下190摄氏度。如果在探测器中的35.6公斤锗晶体内发生无中微子双β衰变，那么就会探测到产生的两个电子的能量，当它们击中探测器的时候会出现闪光。 △ 研究人员和高度灵敏的探测器。（图片来源：M. HEISEL/GERDA） |
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