新证据：为什么宇宙是由物质构成的？
在宇宙中，所有的可见物质都是由夸克和轻子组成的。夸克有六种：上、下、奇、粲、底、顶。同样地，轻子也有六种：电子、μ子、τ子和三种中微子。这些基本粒子都有其相应的反物质粒子，它们具有相同的性质，但却拥有相反的电荷。
○ 基本粒子包括夸克、轻子和玻色子。
在138亿年前，宇宙大爆炸后应产生了相同数量的物质和反物质。当它们相遇时会全部湮灭，只留下能量。然而，这样的事情显然没有发生，否则今天我们就不会看到恒星、行星，甚至是生命的出现了。究竟是什么导致了物质和反物质之间的轻微不对称性，使今天的宇宙全是由物质组成的，而不是反物质？已知的物理学定律还无法完全回答这个问题。
1967年，物理学家Andrei Sakharov提出，如果宇宙满足几个条件那么就有可能演化出一个由物质主导的世界，其中一个条件便是CP对称性（C代表电荷共轭，P代表宇称）必须被打破。简单来说，CP对称性指的是，在一个镜像世界中，反粒子的行为应当和粒子完全相同。
曾经，物理学家认为物质和反物质应当遵循CP对称性，但在上个世纪60年代，物理学家发现夸克和反夸克打破了CP对称性（或说CP破坏）。去年，物理学家也第一次在粲粒子（包含粲夸克的粒子）衰变中观测到了CP破坏。但问题是，从夸克中所观察到的CP破坏的量完全不足以解释最初的物质和反物质之间的不对称性。一直以来，物理学家也试图在非夸克基本粒子系统中观测CP破坏，但没有成功，因此一些大型实验一直致力于寻找CP破坏的新来源。
4月15日，在一篇发表于《自然》的新论文中，来自T2K实验的科学家首次报告了他们可能在轻子中发现了CP破坏的证据。
○ 新论文登上了《自然》封面。
物理学家提出了一种”轻子数产生”的机制来解释为何轻子中的CP破坏可以产生物质-反物质不对称性。在那些用来解释观测到的中微子质量的模型中，科学家假设早期宇宙中存在大量比中微子更重的拍档粒子，这些粒子随后发生了衰变。CP破坏有可能导致这些衰变可以产生我们现在所观测到的物质-反物质不对称性。新发表的结果为轻子数产生机制提供了强有力的间接证据。
轻子的CP破坏非常难以捕捉的，科学家可以通过测量中微子来对其进行探索，这是一类几乎不与普通物质相互作用的基本粒子，因而加大了探测难度。中微子最不为人所知，却又无处不在，它们弥漫在整个宇宙中，诞生于太阳或其他恒星的核反应中，每秒钟大约有100万亿个中微子穿过你的身体。
中微子有三种“味”：电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。就像其他亚原子粒子一样，它们也有相应的反中微子。与其他粒子不同，中微子最特别之处在于，在它们的传播过程中，会从一种味转变成另一种味，这被称为中微子振荡。
自中微子振荡被发现以来，已经有好些实验对其进行了分析。但直到最近几年，科学家才观测到了从µ子中微子转变成电子中微子的微小振荡。这种振荡发生的概率很小。如果CP对称性是守恒的，那么µ子中微子转变成电子中微子的振荡概率将与反µ子中微子转换成反电子中微子的振荡概率相同。
现在，T2K实验以前所未有的精度研究了这些振荡，并观察到了轻子CP破坏的可能证据。
在实验中，日本质子加速器研究中心会生成一束中微子，这些被高度加速的质子会与高密度的石墨靶相撞，产生大量被称为π介子和K介子的粒子。这些粒子会衰变，产生中微子束或反中微子束，被280米开外的两个探测器监测。
随后，这些中微子会不受阻碍地穿越地球，其中有一些则会被位于295公里之外的处于日本池野山地下深处的神冈天文台的探测器所探测到。这一探测器是由5万吨超纯净水组成的，在其周围环绕着大量灵敏的光传感器。当一个中微子与水中的中子发生相互作用时，它会根据它自身的味而产生一个µ子或一个电子。T2K实验会探测到这些µ子和电子，并对它们进行分辨，从而识别出发生撞击的中微子的味，以此测量µ子中微子转换成电子中微子的振荡概率。
T2K合作项目分析了从2009年到2018年之间收集到的中微子和反中微子数据。通过与其他中微子振荡实验的结果相结合，研究人员梳理出了转换概率对各种参数的依赖关系，从而提供了CP破坏的证据。他们以95%的置信水平排除了CP守恒，这表明CP破坏参数可能很大（如果中微子和反中微子的行为完全一样，那么CP破坏参数应当为零）。
这样的测量结果无疑是令人兴奋的。但如果想要最终肯定这一发现，就需要无比牢靠的证据加以佐证——他们需要超过99.9999%的置信水平才能确定真的发生了轻子CP破坏。因此，研究人员还需要用更强的光束、更大的探测器、更精妙的实验设计，来更精确地测量振荡概率。
未来，下一代的中微子实验将迎面挑战这一重任。日本的T2HK实验就是一个基于与T2K实验相同的技术的升级版，它将使用T2K实验所用到的10倍质量的水和更强的光束。
今年2月，T2HK已获得了官方批准，很快就将投入建设之中，它将与位于美国的DUNE一起，相互提供互补的技术和测量方法。或许在未来15年里，我们就能对为什么我们可以存在于这个宇宙中有着更清晰的答案。