在一個令人不寒而慄的義大利實驗室裡，科學家利用極度寒冷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無中子雙貝塔衰變等現象，可以重新定義對宇宙中物質和反物質的理解，並讓學生參與突破性的實驗中。

Borexino 是位於義大利中部大薩索國家實驗室（Laboratori Nazionali del Gran Sasso）的高靈敏度中微子探測器。 它位於地下深處，使用超純液體閃爍體探測低能量太陽中微子，研究中微子和太陽過程的基本特性。 資料來源：Borexino 協作小組

探索宇宙奧秘： 義大利實驗室

在義大利亞平寧山脈下的地下實驗室裡，國際科學家團隊正努力揭開粒子物理學最大的謎團之一。

加州理工學院物理學教授托馬斯-古鐵雷斯（Thomas Gutierrez）是參與這項開創性工作的150 多名頂尖研究人員之一。 古鐵雷斯是美國國家科學基金會（National Science Foundation）資助的一項為期三年、耗資34 萬美元的研究計畫的首席研究員，在該計畫中發揮關鍵作用。

加州理工學院物理學教授托馬斯-古鐵雷斯（Thomas Gutierrez）是美國國家科學基金會（National Science Foundation）一項涉及粒子物理學的34 萬美元資助的主要研究者。 資料來源：加州理工學院

探討被禁止的核衰變揭開中微子的秘密

這項研究在大薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）進行，該實驗室位於義大利阿瑟吉（Assergi）附近，距離羅馬東北方約80 英里。 這個尖端設施吸引了來自加州大學柏克萊分校、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著名大學等知名機構的科學家。

國家自然科學基金的資助涵蓋了與加州理工學院差旅和有學生參與的實驗相關的費用。 古鐵雷斯和他的加州理工學院學生團隊與其他科學家一起，正在探索與核衰變（也稱為放射性衰變）有關的未經證實的理論，即不穩定原子核透過輻射失去能量的過程。 他們的工作致力於幫助更好地解釋為什麼宇宙中充滿了物質，並解決困惑了幾代科學家的其他謎團。

“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所禁止的核衰變。 它不應該發生。 因此，如果它真的發生了，而這正是我們正在尋找的，那麼它就會告訴你很多關於世界運作方式的資訊。

這項研究是在國際罕見事件低溫地下觀測站（CUORE）計劃下開始的科學合作的延續，該計劃現在被稱為CUPID（CUORE 粒子識別升級）。 在義大利語中，”cuore”是心臟的意思，因此用”cupid”作為該計劃後續最新階段的縮寫。

古鐵雷斯的研究領域著重於中微子，中微子是一種質量極小的微小粒子。 中微子在宇宙大爆炸時大量存在，以接近光速的速度傳播，也可能來自恆星爆炸等劇烈爆發。 中微子通常由放射性衰變產生。 由於中微子的相互作用不大，而且是中性的，因此有助於解釋宇宙中與物質和反物質有關的謎團。

加州理工學院物理系教授托馬斯-古鐵雷斯（左）和加州理工學院物理系學生雷根-加西亞（Reagen Garcia）正在合作開展與CUPID（CUORE 升級與粒子識別）計劃有關的研究，該計劃涉及一個國際科學家團隊。 資料來源：加州理工學院

挑戰物質-反物質對稱性

在現代物理學中，所有粒子都有反粒子，即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相等，它們應該全部湮滅，消失，我們也不應該存在。然而，剩下的這一小部分物質就是我們。我們為什麼會存在？為什麼會有那一絲存在？

根據一個長期存在的科學理論，中微子（電荷中性）可能是自己的反粒子。 但這一概念從未得到證實。 CUPID 的工作希望揭示無中微子雙貝塔衰變的可能性，在這一放射性過程中，原子核釋放兩個電子，但沒有中微子。 觀測到這種衰變將支持中微子是其反粒子的假設。

古鐵雷斯說：”如果發生了無中子雙貝塔衰變，它就會告訴我們關於物質（不僅僅是這種物質，而是所有物質）如何存在的所有信息。這是非常強大的。”

加州理工學院物理學專業的Reagen Garcia（如圖）與一個科學家團隊合作，正在義大利進行粒子物理學工作，這是CUPID（CUORE 粒子辨識升級）計畫的一部分。 圖片來源：加州理工學院

粒子探測技術的創新

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。有一種假設認為，碲同位素可以發生無中子雙貝塔衰變。在這塊晶體中，大約三分之一的碲核是正確的同位素。

古鐵雷斯說：”我們的想法是在這塊晶體中使用一個探測器，測量它自身的衰變。它會沉積一定量的能量，使溫度升高，我們可以觀察到這一現象。 透過這種測試，在最好的情況下，我們希望能夠說明的是，中微子是否是它自己的反粒子。

義大利實驗室所在地透過每個方向約一公里長的岩石和從古羅馬商船殘骸中提取的煮沸鉛製成的六厘米厚的保護罩來屏蔽宇宙射線和其他天然放射性物質。 由於需要幾個世紀的自然過程，用作實驗室研究保護層的古鉛本身不含放射性物質，這證明了數百年前的鉛對科學的有效性。

義大利的設施是世界上最大的地下研究中心。 寒冷的研究條件被設計為約10毫開爾文或-441.74度華氏，是宇宙中同類規模最冷的地方。 這樣的低溫有助於粒子科學的研究，因為當粒子被冷卻時，它們的運動速度會大大減慢，使科學家能夠更精確地研究它們的行為。

古鐵雷斯說，人們一直在”絞盡腦汁試圖理解”圍繞反物質與物質的理論，以及中微子可能如何參與其中。人們一直在探索許多不同的途徑，但大約在30年前，人們就有了這樣的想法：如果發生這種衰變，那麼就能告訴我們物質的特性，這將意味著宇宙實際上確實在物質與反物質之間略有偏愛。 “

加州理工學院的學生已經並將繼續做出貢獻，其中包括來自加州莫羅灣的物理專業學生雷根-加西亞（Reagen Garcia）。 她的部分工作包括在義大利進行的實驗進行遠端探測器操作輪班。

加西亞說：”CUORE需要持續監控，因此遠端探測器操作輪班是實驗的重要組成部分。這筆資助將幫助學生參加這些輪班。 它還將幫助把學生送到義大利或其他參與合作的大學。”

加西亞還在耶魯大學的賴特實驗室（CUPID實驗的合作機構）進行了暑期工作，在那裡對粒子探測器系統進行了測試。

“能夠參與如此詳細、具體的實驗設計工作令人興奮，」加西亞說。 “過去在耶魯的這個夏天是我有機會參與的最令人興奮和最有價值的研究經驗。”

編譯自/ ScitechDaily