科学发展到今天,粒子物理研究表明,物质世界是由最底层的6种夸克、3种带电轻子和3种中微子所构成。中微子在这12种最基本粒子中占了四分之一,分为电子中微子、缪中微子和陶中微子3种。
在宇宙诞生之初,中微子就充斥着整个宇宙,目前与光子数量一样多,大约为每立方厘米300个,因此,其质量对宇宙的形成与演化有重要影响。与其他粒子相比,中微子“特性”十足,不带电荷,没有大小,质量极轻,穿透性极强,能够以接近光速几乎不受阻碍地穿越宇宙中的任何物质。并且,它与物质的相互作用十分微弱,穿越地球直径厚度的物质,在100亿个中微子中,只会有一个与物质发生反应,因此,极难被捕捉和检测,被世人称为“幽灵粒子”。
然而,“诡异”的中微子却在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中,同时扮演着极为重要的角色。原来,宇宙起源中的物质与反物质不对称很可能与它有关。当宇宙大爆炸发生时,根据粒子物理规律,正反物质应该成对产生,是一样多的。可是我们现在的宇宙中,并没有发现大量反物质存在的迹象。那么,反物质哪里去了?这就涉及到中微子的一个基本性质——中微子振荡,即它在以光速飞行的过程中,会从一种类型转变成另一种类型,也称之为不同类型的中微子的混合。据中国科学院高能物理研究所研究员曹俊介绍,中微子存在振荡现象,同时意味着可能存在另一种不守恒,即电荷-宇称不守恒,也就是CP破坏(电荷用C表示,宇称用P表示)。如果存在大的CP破坏,那么在宇宙早期,反物质就有可能衰变得更快,导致现在的宇宙中只剩下了正物质。
不过,体现物质与反物质衰变差别的参数CP破坏,很难检测,但所幸的是,它却在中微子振荡这一物理过程中,始终与“神秘”参数θ13“相伴”。
参数θ13是中微子振荡的“产物”。按照理论,3种中微子两两组合,应该形成3种振荡模式,产生3种混合参数,描述中微子之间相互转变的规律。其中,被称为“太阳中微子之谜”(由混合参数θ12代表)和“大气中微子之谜”(由混合参数θ23代表)的两种振荡已被发现和实验证实,但第三种振荡(由混合参数θ13代表)则一直未被发现。因而,θ13成为测量CP破坏的大小,破解宇宙奥秘的关键。对中微子振荡的研究也成为粒子物理、天体物理、地球科学与宇宙学研究中的热点与交叉。