在地下实验室探秘最小物质

在水槽内部，反射膜环绕着液氩低温恒温器（图片来源：Enrico Sacchetti）

撰文  | 乔安娜 · 汤普森（Joanna Thompson）

翻译  | 董子晨曦

在意大利阿布鲁佐大区的大萨索山岩层下 1000 多米处，科学家正在努力解开宇宙中最小物质的秘密。贝塔衰变（一种放射性过程）通常会放射出两个粒子：一个带负电的电子和一个微小的、不带电的中微子。意大利格兰萨索国家实验室正在推进 " 大型高纯锗无中微子双贝塔衰变实验 "（LEGEND-200），旨在探究双贝塔衰变发生时，是否可以不放射出中微子。这个问题的答案可能会影响我们理解物质是如何形成的。

对于 " 无中微子双贝塔衰变 " 而言，即使这个过程可以发生，可能性也非常低。这是因为在衰变产生电子时，不产生中微子非常困难，尤其是到处都存在着大量的中微子——每秒钟会有数十亿个中微子穿过我们的身体。而且，在本底辐射与机器组件相互作用时，往往也会产生中微子。

美国德雷塞尔大学的粒子物理学家米歇尔 · 多林斯基（Michelle Dolinski，未参与这项项目）表示：" 这就是科学家专注于选择低放射性材料开展实验，然后想出多种十分巧妙的方法来屏蔽本底粒子的原因。"

LEGEND-200 配有具有轻微放射性的锗晶体，它既提供了发生贝塔衰变的物质，也起到了中微子探测器的作用。为了滤除环境粒子的干扰，整套实验装置都浸在一个受到水和液氩屏蔽的低温贮槽中。装置的中心环绕着绿色的光学纤维，以及一层反射膜，以此将杂散粒子弹开。

如果 LEGEND-200 能够观察到无中微子的双贝塔衰变，那么这意味着，中微子是自己的反粒子，而两个中微子能够互相湮灭。这不同于质子、电子和其他基本粒子，因为这些粒子具有一个与自身相反的反粒子。如果这是事实，那么发生双贝塔衰变时，就可能会产生两个中微子，然后随即互相湮灭，于是最终一个中微子都没有留下。多林斯基表示：" 这一点非常重要，因为它将有助于理解为什么在早期宇宙中，相比于反物质，物质占据主导地位，以及为什么宇宙是如今这般模样。"

LEGEND 实验的合作者劳拉 · 博迪（Laura Baudis）是瑞士苏黎世大学的一名实验物理学家。他们是在今年晚些时候开始收集数据的，博迪对 LEGEND 实验所揭示的信息非常激动。" 我们其实对中微子还知之甚少，" 她表示，" 它们总是充满了惊喜。"