宇宙中最冷的地方正在解開反物質之謎

在一個寒冷的意大利實驗室裡，科學家們利用極寒和古老的材料來挑戰現有的物理定律。

他們的研究旨在探測像中微子雙β衰變這樣的現象，可以重新定義對宇宙中物質和反物質的理解，讓學生參與開創性的實驗。

探索宇宙的奧秘：意大利實驗室

在意大利亞平寧山脈（Apennine Mountains）下的一個地下實驗室裡，國際科學家團隊正在努力解開粒子物理學最大的謎團之一。這裡的溫度已經達到了已知宇宙中最冷的溫度。

在爲這項開創性工作做出貢獻的150多名主要研究人員中，加州理工學院物理學教授托馬斯·古鐵雷斯（Thomas Gutierrez）。作爲美國國家科學基金會（National Science Foundation）資助的三年期34萬美元項目的首席研究員，古鐵雷斯在該項目中發揮了關鍵作用。

探索被禁止的核衰變

這項研究在意大利阿塞吉附近的格蘭薩索國家實驗室進行，位於羅馬東北約80英里處。這個尖端的設施吸引了來自著名機構的科學家，包括加州大學伯克利分校、加州大學洛杉磯分校、耶魯大學、麻省理工學院、約翰霍普金斯大學、加州理工學院以及歐洲和亞洲的著名大學。

國家科學基金會的資助涵蓋了加州理工學院的旅行和學生參與實驗的相關費用。古鐵雷斯和他的加州理工學院學生團隊正在與其他科學家一起探索與核衰變有關的未經證實的理論，也被稱爲放射性衰變，即不穩定的原子核通過輻射失去能量的過程。他們的工作努力幫助更好地解釋爲什麼宇宙充滿了物質，並解決其他困擾了幾代科學家的謎團。

解開中微子的秘密

“如果你能找到打破物理定律的東西，那就是發現，”古鐵雷斯說。“我們目前正在尋找的是一種目前被物理定律禁止的核衰變。這不應該發生。所以，如果它能做到，這也是我們正在尋找的，它會告訴你很多關於世界運作方式的信息。”

這項研究繼續了國際CUORE（罕見事件低溫地下天文臺）計劃下的科學合作，該計劃現在被稱爲CUPID（CUORE粒子識別升級）。“cuore”在意大利語中意爲“心”；因此，首字母縮略詞使用“cupid”表示程序的後續最新階段。

古鐵雷斯的研究領域集中在中微子上，這是一種質量非常小的微小粒子。宇宙大爆炸時，中微子在宇宙中大量存在，以接近光速的速度傳播，中微子也可能來自恆星爆炸等劇烈爆發。中微子通常是由放射性衰變產生的。因爲它們不怎麼相互作用，而且是中性的，所以它們可以幫助解釋與物質和反物質有關的宇宙之謎。

挑戰物質-反物質對稱

在現代物理學中，所有的粒子都有反粒子，它們自己的反物質對應物：電子有反電子（正電子），夸克有反夸克，中子和質子（構成原子核）有反中子和反質子。

古鐵雷斯說：“根據物理定律，物質和反物質的數量應該是相等的，它們應該都湮滅了，消失了，我們不應該存在。”“然而，剩下的這一小塊物質就是我們自己。我們爲什麼會存在？那條銀條怎麼會在那兒？所以這是一個謎。”

根據一個長期存在的科學理論，中微子 —— 帶電的中性 —— 可能是它們自己的反粒子。但這一概念從未得到證實。丘比特的工作希望揭示無中微子雙β衰變的可能性，這是一種原子核釋放兩個電子但不釋放中微子的放射性過程。觀察這種衰變將支持中微子本身就是反粒子的假設。

古鐵雷斯說：“如果中微子雙β衰變發生，它會告訴我們所有關於物質如何存在的基礎信息，不僅僅是這種物質，而是所有物質。”“這是非常強大的。”

粒子檢測技術的創新

古鐵雷斯和國際科學小組正在合作研究二氧化碲晶體，這是一種碲元素和氧的混合物。

古鐵雷斯說：“有一種假設認爲，碲同位素可以經歷無中微子雙β衰變。”

古鐵雷斯指出，這塊晶體中大約三分之一的碲原子核是正確的同位素。

古鐵雷斯說：“我們的想法是利用這種晶體的探測器來測量它自己的衰變。它會沉積一定量的能量，提高溫度，我們可以觀察到這一點。通過這個測試，在最好的情況下，我們希望能夠說的是中微子是否是它自己的反粒子。”

古代材料在現代研究中的意義

這個位於意大利的實驗室通過兩個方向約一公里長的岩石，和一個6釐米厚的防護盾來屏蔽宇宙射線和其他天然放射性物質，這個防護盾是用從一艘古羅馬商船殘骸中提取的煮熟的鉛製成的。在實驗室的研究中，古代鉛被用作保護層，由於需要幾個世紀的自然過程，它本身沒有放射性物質，這證明了數百年曆史的鉛對科學的有效性。

意大利的設施是世界上最大的地下研究中心。這個寒冷的研究條件被設計爲溫度在10毫開爾文（-441.74華氏度）左右，這是宇宙中最冷的體積。這樣的低溫有助於粒子科學，因爲當粒子冷卻時，它們的運動速度要慢得多，這使科學家能夠更精確地研究它們的行爲。

古鐵雷斯說，人們一直在“絞盡腦汁地試圖理解”反物質與物質之間的理論，以及中微子是如何參與其中的。

古鐵雷斯說：“人們已經探索了很多不同的途徑，但大約在30年前，如果這種衰變發生，那麼它就會告訴我們物質的性質，這意味着宇宙實際上比反物質更傾向於物質。”

加州理工學院的學生已經做出了貢獻，並將繼續這樣做，其中包括加州莫羅灣的物理學專業學生里根·加西亞。她的部分工作包括在意大利進行的實驗中進行遠程探測器操作輪班。

加西亞說：“CUORE需要持續監測，因此遠程探測器的操作變化是實驗的重要組成部分。”“助學金將幫助學生參與這些輪班。它還將幫助學生前往意大利或其他參與合作的大學。”

加西亞還在耶魯大學賴特實驗室（Wright Laboratory）進行了暑期工作，這是丘比特實驗的合作機構，加西亞在那裡對一個粒子探測器系統進行了測試。

加西亞說：“能參與到如此詳細、具體的實驗設計中，真是令人興奮。剛剛過去的這個夏天是我有機會參與的最令人興奮、最有益的研究經歷。”

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！