一、研究宇宙射线与射电暴的新进展
（一）探测和利用宇宙射线的新成果
1．观测和研究宇宙射线的新发现。
⑴观测到遥远星系放射出的强紫外线。2009年2月10日，日本国立天文台当天发表新闻公报说，昴宿星团望远镜观测到，距地球约120亿光年的遥远星系，放射出的与氢原子电离有关的强紫外线。这一成果，将有助于解决宇宙学上，长期悬而未决的“宇宙再电离”问题。
研究人员从2007年9月10日起，连续14天，用昴宿星团望远镜的主焦点相机，观测与氢原子电离有关的强紫外线，即波长小于91.2纳米的电离光。观测对象是水瓶座方向的SSA22区域，以往的研究显示，这一区域存在距离地球约120亿光年的大星系团。结果，昴宿星团望远镜观测到了，来自其中17个星系的电离光。
公报说，目前的理论认为，宇宙起源于约138亿年前的大爆炸，紧接着“大爆炸”后的一段时期，宇宙温度极高，物质粒子全部以带电离子形式存在。但随着宇宙的膨胀，宇宙温度越来越低，使得质子和电子结合形成不带电的氢原子。之后，宇宙中最初诞生的天体发出的光线中，包含着波长小于91.2纳米、拥有强大能量的紫外线。这种电离光，能够使氢原子重新电离成质子和中子。研究人员指出，“宇宙再电离”现象，是现有恒星、行星等各种天体，形成过程中的重要事件。
公报说，此次观测成果，不仅有助于解释“宇宙再电离”问题，而且也是向探明“宇宙再电离”之前的、至今仍笼罩着迷雾的“宇宙史黑暗时代”迈出的重要一步。
⑵揭示等离子云高速碰撞产生电磁辐射的原因。2017年5月，美国波士顿大学空间物理学中心，研究员阿利克斯·弗莱切尔领导的一个研究小组，在《等离子物理学》期刊上发表论文称，当宇宙飞船或卫星在宇宙中穿梭时，它们会遇到微小但高速移动的宇宙尘埃和碎片。如果这些微粒运动得足够快，它的撞击会产生电磁辐射，进而损坏飞行器的电力系统，甚至使其失灵。
近日，该研究小组新成果揭示，研究人员使用计算机模拟了微粒撞击产生的等离子云是导致破坏性脉冲的原因。结果显示，随着等离子扩散到周围的真空环境中，铁离子和电子会以不同的速度传播和分离，从而产生无线电辐射。
弗莱切尔指出：“在过去数十年间，研究人员已经了解了这些极高速碰撞，并且我们已经注意到如果等离子体速度足够快，那么碰撞会产生辐射。但没有人知道，这些辐射为何会出现，它们来自哪里或背后的物理学机制是什么。”
为了模拟等离子极高速碰撞产生的结果，研究人员使用了一个名为计算机粒子模拟的方法，以便同时对等离子和电磁场建模。他们还利用之前开发的爆炸流体动力学程序，丰富了模拟细节。研究人员让模型逐渐完成，并计算了等离子产生的辐射。
当一个粒子高速撞击坚硬表面时，它会蒸发并电离目标，从而释放尘埃、气体和等离子云。随着等离子扩散到周围的真空环境中，这个云的密度会下降，并进入无碰撞过程。这时，其中的粒子不会再直接影响其他粒子。
在当前研究中，科学家还假设无碰撞等离子中的电子运动速度，比更大的离子快。模型预测，这种大规模的电荷分离会产生辐射。下一步，科学家计划使用模型量化产生的辐射，评估对卫星的威胁，以便保护卫星和飞船飞过流星体和轨道碎片。
2．研究宇宙射线对生命影响的新进展。
⑴发现宇宙射线对人体影响与水硬度有关。2006年2月，国外媒体报道，俄罗斯圣彼得堡北极与南极科研所，通过多年研究发现，人体心血管系统，受各种宇宙射线作用的敏感性，取决于所饮水的硬度。饮用软水提高了机体对地磁作用的敏感性，而饮用硬水增加了机体对太阳引力的依赖性。
研究人员是在研究了，圣彼得堡两个地区居民高血压病发作规律后，得出上述结论的。在这两个地区生活着9万人，他们生活的地理环境一样，但饮用的水不一样。第一个地区的居民使用的水很硬，一升水中含有68毫克的钙、多于30毫克的锰。另一地区的居民使用涅瓦河中的水，比较软。研究人员还选择了9月到12月这个时间段，因为在这个时间段里没有炎热的天气，没有影响人体心血管系统的其他因素。在这段时间里，共有1670位居民因血压升高，求助医疗救护机构，其中90％是高血压危机症。
研究了这些高血压患者的分布情况后，研究人员发现，患病情况与地区的分布有关：来自饮用硬水地区的高血压患者，受太阳引力作用很明显，作用的周期为31．8和14．8昼夜。太阳引力作用程度越高，高血压患者的发病率越少；但在太阳活动比较频繁的年代，太阳活动对心血管系统的影响很大，太阳活动越活跃，高血压患者越多，但受太阳引力的影响比较弱。饮用软水地区居民的血压，准确地随地磁的变化而周期性变化，周期为27昼夜，但太阳活动的增加，降低了高血压患者的数量，周期性太阳引力的作用远远比地磁的作用弱。
研究人员认为，水的化学成分，可调整机体器官对各种宇宙射线的敏感性，因此，研制一种方法，来抑制宇宙射线的作用是可能的。
⑵研究伽马射线暴对星系存在生命的影响。2014年11月，以色列耶路撒冷希伯来大学理论天体物理学家茨维·皮兰，与西班牙巴塞罗那大学理论天体物理学家劳尔·吉米内斯等人组成的一个研究小组，在《物理评论快报》发表论文称，他们利用银河系平均金属丰度以及恒星的粗略分布情况，估算了长、短伽马射线暴在星系中的比例。结果发现，能量更高的长伽马射线暴是真正的杀手。
皮兰指出，一些天体物理学家曾提出，一次伽马射线暴导致了地球奥陶纪大绝灭。这是发生在4.5亿年前、横扫80%物种的一场生态灾难。
研究人员随后评估了伽马射线暴，会对位于星系不同位置的行星产生何种影响。他们发现，在过去的10亿年中，在中央具有大量恒星的星系中，距离星系中心6500光年范围内的行星，有超过95%的概率经历过一次致命的伽马射线暴。一般来说，研究人员推断，生命可能仅仅存在于大型星系的边缘区域。例如，太阳系距离银河系中心约2.7万光年。
研究人员报告说，其他星系的情况可能更加黯淡。与银河系相比，大多数星系要更小且金属丰度更低。他们推测，在此前提下，90%的星系由于存在太多的长伽马射线暴而无法支持生命的存在。此外，在宇宙大爆炸后50亿年内，所有的星系都是这个样子，因此长伽马射线暴，使得任何地方出现生命都成为不可能的事情。
伽马射线暴是来自天空中某一方向的伽马射线强度，在短时间内突然增强，随后又迅速减弱的现象，持续时间在0.1～1000秒，辐射主要集中在0.1～100 MeV的能段。伽马射线暴，是宇宙中发生的最剧烈的爆炸，理论上是巨大恒星在燃料耗尽时塌缩爆炸，或者两颗邻近的致密星体(黑洞或中子星)合并而产生的。伽马射线暴会在短时间内释放出巨大能量。如果与太阳相比，它在几分钟内释放的能量相当于万亿年太阳光的总和，其发射的单个光子能量通常是典型太阳光的几十万倍。
3．利用宇宙射线揭示闪电秘密的新成果。
利用宇宙射线测量雷暴云的电场强度。2015年4月，荷兰奈梅亨大学天体物理学家海诺·法尔克领导，射电天文学家皮姆·斯雀勒特为主要成员的一个研究团队，在《物理评论快报》发表研究报告称，他们在研究闪电现象的过程中，已经开发出一种新工具，可以帮助解决其中的一些难题。报道称，他们通过用射电天文台监测由宇宙射线导致的电磁脉冲，已经能够测量雷暴云中的电场强度。
研究人员说，虽然科学家之前利用探空火箭或气球测量过类似的电场，但他们的新技术为分析闪电的起源，以及验证宇宙射线本身是否触发了闪电，提供了一个更好的工具。
在荷兰奈梅亨大学，法尔克领导着一个低频阵列，这是分布在欧洲5个国家的一个无线电天线和粒子探测器网络。建造低频阵列的初衷，是将其作为一种多用途的工具，研究的范围从无线电波到遥远的宇宙现象，还有那些由宇宙射线撞击地球大气层所产生的现象。
当一个高能宇宙射线粒子，通常是一个质子或更重的原子核，与一个空气分子发生碰撞后，它会触发一个链式反应，导致无数的带电粒子(其中大部分是电子)像雨点一般砸向地面。在这些带电粒子下落的过程中，低频阵列的天线会探测到它们释放出的无线电波。这在很大程度上，是这些带电粒子与地球磁场交互作用产生的结果。
利用低频阵列的核心，即位于荷兰埃克斯洛镇附近的一个6平方公里的装置，以及网络中密集的天线，研究团队测量了发生在2011年6月至2014年9月之间的762场最高能的阵雨。
在好天气时，无线电波会有规律地下降。论文第一作者斯雀勒特表示，它们的偏振态整齐一致，与研究人员使用计算机模型预测的模拟结果相匹配。但他指出，有时候，这些模式是杂乱的，这通常发生在当一个雷暴云在附近徘徊时。研究人员并没有丢弃这些不规则的数据，相反，他们重新设计了自己的模型，包括通常在雷暴云中形成的更加强烈的电场。研究人员报告说，当他们利用这些新模型重新计算偏振态后，这种杂乱的模式与新的模拟结果很匹配。
研究人员认为，关于雷暴云中电场的测量结果，将有助于解决大气科学中的一个最大的开放式问题。闪电是在一个云团的不同层位或云团与地面之间的一个电传导通道，它能够在大气层中短暂地打开，并部分恢复电荷平衡。然而迄今为止，科学家一直没有搞清到底是什么触发了闪电。电场是很强大，但其自身尚不足以把空气从一个电绝缘体转变为一个导体。
此前，曾有研究人员提出，宇宙射线是一个触发器。科学家希望低频阵列，能够测试到宇宙射线是否在形成一道闪电的同时出现了降低。
当然，精密仪器如果被闪电击中也会遭到破坏。法尔克说：“按照科学的方法，你会希望一道闪电正好击中低频阵列的正中间。但作为一名射电天文学家，你又会希望这一切不要发生。”
这项研究，提供了科学家期待已久的，一座射电天文台能够被用来探测雷暴云的证据。美国达拉莫市新罕布什尔大学大气物理学家约瑟夫·德怀尔表示：“这篇论文是开创性的，因为它证明了这一想法实际上能够实现。”
（二）探测宇宙射电暴来源的新成果
1．有望对最亮快速射电暴精准定位。
2016年11月，美国加利福尼亚理工学院科学家维克拉姆·拉维等人组成的一个研究团队，在《科学》杂志发表论文称，他们通过分析，把2015年在太空中发现的快速射电暴，定义为迄今为止最明亮的射电暴，将其命名为“FRB 150807”，同时通过测量，对它发生的位置进行了更精准定位。这一分析，有助于了解宇宙网这个星系之间弥漫的稀疏物质网。
快速射电暴持续仅几毫秒，但它在一瞬间释放的能量相当于太阳一个月释放的能量。尽管其爆发可能蕴含对恒星演化和宇宙学的有用线索，但爆发来源很难定位，限制了其在宇宙研究中的应用。
拉维说：“快速射电暴来源于数十亿光年之外的地方。通常认为，近一半的可见物质稀疏地散布在星际空间，虽然望远镜一般无法观测到这些物质，但可以通过快速射电暴对这些物质进行研究。”
当快速射电暴穿过这些散布在星际空间的物质时会发生变形，就像星星发出的光通过大气层会变形、闪烁一样。通过观察快速射电暴从产生到抵达地球的行程，可以了解宇宙的局部细节。拉维研究团队观测到，主星系中的物质仅导致FRB 150807微弱变形，这表明主星系的星际介质不像最初预测的那样混乱。
迄今为止，仅有18次快速射电暴被观测到。非常神秘的是，大多数快速射电暴只是单次爆发，并不会反复闪烁。由于望远镜分辨率问题，大多数快速射电暴虽能被观测到，但无法计算出其产生的确切位置。此次FRB 150807空前的亮度，使科学家能对其可能发生的位置进行更精确定位，并通过测量将范围缩小至几个地方，其中最有可能的是一个被称作VHS7的星系。
2．宇宙同一位置探测到多次射电暴。
2016年12月，加拿大麦吉尔大学一个天文研究团队，在《天体物理学杂志》上发表论文称，他们利用美国绿岸射电望远镜和阿雷西博天文台，在宇宙中同一位置检测到6次快速射电暴，而该位置此前就已报告过11次射电能量爆发。现在，科学家给出的解释之一是，在距离地球30亿光年的深空中，可能隐匿着我们期盼已久的地外文明。
近十年前，第一次发现快速射电暴以来，就一直让天文学家困惑不解。它是一种只持续几毫秒的无线电波，但在短暂瞬间却能释放出相当于太阳一整天释放的能量。它们源于遥远的星系，爆发后立刻杳无踪迹，就像是天文观测的“副产品”，人类一直缺乏足够的数据确定其发生机制。
此次，该研究团队在距离地球30亿光年的御夫星座，检测到6个快速射电暴，每个能量持续时间仅几毫秒。其中5个快速射电暴是由美国绿岸射电望远镜探测到的，射电频率在2G赫兹；还有一个由阿雷西博天文台观测到，射电频率在1.4G赫兹。此外，在同一“太空来源地”，此前已有11次射电能量爆发的记录。
这17次爆发均指向同样的位置：FRB 121102，而重复的射电暴意味着，导致该现象的原因不是单次的。这是人们已知的快速射电暴中最独特的例子，其性质对理解这种宇宙现象有重要意义。
一些科学家认为，此处很可能存在着人们寻觅已久的地外文明。这也是人们对快速射电暴的一种解释，一旦确认，无疑将产生革命性影响。不过，快速射电暴产生的其他原因还包括耀星、白矮星合并、中子星撞击等。因此，通常检测到快速射电暴后，研究团队会向“地外文明搜寻计划”提交分析报告。
3．发现神秘宇宙射电暴的来源。
2017年1月4日，美国康奈尔大学天文学家沙米·查特吉率领，加拿大麦吉尔大学天文学家胥里哈尔·德鲁卡等参加的研究小组，在《自然》杂志上刊登研究成果称，他们发现了一个神秘天体的所在位置，这个天体能够释放出短暂而强大的宇宙射电暴。然而，令天文学家感到惊讶的是，这些间歇性信号的来源并不是位于一个明亮的星系，而是处在一个小而昏暗的、距离地球25亿光年的星系中。
这一发现，揭开了关于神秘的快速射电暴的序幕。自从2007年首次描述这些信号以来，它们便让天文学家困惑不已。
美国国家射电天文台天文学家莎拉·斯普乐认为此项成果很有价值，她在德克萨斯州格雷普韦恩市召开的美国天文学会会议上发表演讲时说：“这一发现，确实敲开了一项科学与发现新领域的大门。”
有关报道称，快速射电暴似乎来自于银河系之外，并且在天空中随机出现。虽然它们往往只持续几毫秒的时间，但射电暴却能够释放出相当于5亿颗太阳的能量。这些神秘射电暴由位于澳大利亚新南威尔士的帕克斯射电望远镜首次发现，且迄今为止观测到的数量不足20次。大多数发现的快速射电暴来源于广域搜索，因此无法查明它们究竟从何而来，这使得天文学家很难搞清是什么原因引发了这些射电暴。
据查特吉研究小组报告，他们是对FRB 121102的快速射电暴源头的一次最敏锐的观测。该射电暴位于御夫座星座，其间歇性信号首次于2012年11月2日被探测到。从那时起，该射电暴多次出现，这也使它成为已知唯一能够重复出现的快速射电暴。
该研究小组，首先用位于波多黎各的直径305米的阿雷西博射电望远镜，进行观测。这台射电望远镜的灵敏性，使得他们能够观测到FRB 121102的多重爆发。接着，研究人员使用甚大阵列等两套射电望远镜观测，进一步缩小了探索FRB 121102位置的范围。
研究人员发现，这些快速射电暴源于一个矮星系，这种星系能够在射电和可见光波段释放出微弱的辐射。天文学家随后使用位于夏威夷莫纳克亚山的双子北座望远镜进行观测，发现该矮星系的规模不足银河系的十分之一，而质量则不及银河系的千分之一。德鲁卡表示：“产生这些快速射电暴的矮星系是微不足道的。这很奇怪。”与其他星系相比，由于矮星系的恒星数量要少很多，因此它似乎没有形成快速射电暴的任何机会。
但是，查特吉认为，还需要进行更多研究，从而确定导致这些神秘射电暴的物理机制。如今，FRB 121102仅仅只是个孤例。
二、研究和探测宇宙中微子的新进展
（一）探索中微子性质和形态的新信息
1．研究中微子质量和速度的新见解。
⑴认为宇宙中微子质量比先前估计的要重得多。2014年2月，英国诺丁汉大学物理和天文学学院的亚当·莫斯博士、英国曼彻斯特大学的理查德·巴蒂教授等人组成的一个研究小组，在《物理评论快报》上发表论文称，他们通过分析普朗克卫星的最新观测数据和对引力透镜效应的测量，认为中微子质量比先前人们估计的要重得多。这也是使用宇宙大爆炸理论和时空曲率，首次准确测量到这种基本粒子的质量。这项研究，有望加深人们对亚原子世界的理解，解决困扰现有宇宙模型的多个难题。
普朗克卫星是宇宙微波辐射探测器，是专门用来研究宇宙微波辐射的。目前，科学家普遍认为，宇宙微波背景辐射产生于宇宙大爆炸，是大爆炸的“余烬”，均匀分布于整个宇宙空间，可以被看作是宇宙中最古老的光。对宇宙微波背景辐射的研究，能够让科学家精确地测量宇宙的各种基本参数，如宇宙的年龄，物质与暗物质的数量等。
但是，在一些大尺度结构，如星系分布上，这一方法却出现前后不一。研究人员发现，普朗克卫星最近观测到的，宇宙微波背景的“高亮”区域，与目前宇宙学的结论和预测存在一定差异。
莫斯说：“按照普朗克卫星的观测结果，我们看到的星系团比原以为的要少，并且引力透镜效应所产生的信号，也要比宇宙微波背景辐射来得弱。能够解释这种差异的一种可能，就是中微子具有质量。因为，大量具有质量的中微子，会抑制这种致密结构增长，而这是导致星系团增加的主要原因。”
中微子与其他物质的相互作用力非常弱，因此非常难以对其进行研究。根据爱因斯坦的相对论，它们最初被认为是没有质量的，但实际情况是它们不但有质量，还具有3种不同类型：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。在振动中，3种类型的中微子还可以相互变异。这些不同类型中微子质量的总和，此前被认为约为0.06电子伏特，还不及质子的十亿分之一。
莫斯和巴蒂根据普朗克卫星的数据和时空曲率进一步推断，导致这些差异的原因，是比目前宇宙模型中更重的中微子。他们估算3种类型中微子的总质量应为(0.320±0.081)电子伏特，远大于此前的数值。
巴蒂说，如果该结论被进一步分析证实，其意义将不仅仅是增进了粒子物理学家对亚原子世界的认识，还将是对已经发展了近10年的现有宇宙学标准模型的重要延展和补充。
⑵提出中微子很可能是一种超光速粒子。2014年12月26日，物理学家组织网报道，最近，美国乔治·梅森大学退休物理学家罗伯特·埃利希，在《天文粒子物理学》杂志发表论文，再次提出中微子很可能是一种超光子，即超光速粒子；而他是基于一种比测速度更灵敏的方法，来检测它们的质量的。
以往人们曾多次提出中微子超光速，最近一次就是2011年的OPERA实验。意大利研究小组，检测了从欧核中心传送至OPERA传感器的中微子，提出其速度比光要快一点点。但重复检测时却发现，结果出了错：这是一根光缆松了造成的。
据报道，埃利希假设超光子有一个假想质量，或一个负质量的平方。这种假想质量粒子有着奇特性质，在损失能量时反而会加速。中微子假想质量的数量级在0.33ev(电子伏特)，或电子的百万分之一的2/3。他用了6种不同的观察，包括宇宙射线、宇宙学和粒子物理学，所有方法都在误差幅度内推导出了这一数值。
如果存在超光子，就会和相对论产生矛盾。早在1962年，印度裔美国物理学家乔治·苏达山主持的研究小组，就提出了“超光子”概念作为相对论的一个漏洞，而爱因斯坦认为，对粒子(或宇宙飞船)来说，加速到光速或超过光速是不可能的，因为所需的能量会无限大。而苏达山研究小组提出，即便如此，如果在粒子对撞中，最初产生的新粒子超过了光速，就无需加速或无限大能量。
在超光子概念提出后的几十年，许多科学家努力寻找它们而无果。到1985年，乔多斯、豪瑟和考斯特莱基等三位理论科学家认为，超光子可能就藏在人们的眼皮底下，中微子就是超光子。他们提出，当质子以足够高的速度飞向我们时，可能会发生β衰变。一般这种情况是不可能发生的，这会让质子无法保持能量，但如果中微子是超光子，情况就不一样了，在某种参照系中，能量可能是负的——这样的负能量超光子能逆时间而行。
埃利希于1999年在研究宇宙射线的基础上，开始寻找超光子。除了宇宙射线研究以外，他的新结果，还有4个其他领域的数据支持，因此更加可靠。此外与OPERA实验的错误不同的是，目前还没有已知的观察证据与埃利希的结果明显矛盾，因此他的假设不能被证伪，但也不能说就是对的。
检验这种假设的方法，可能来自德国的卡特琳实验，通过观察氚元素β衰变中的光谱形状，有可能揭示中微子的质量。其他基于高能宇宙射线的实验，用现有数据就能做。当然，在你能设计一种“超光子电话”，给过去的自己打电话之前，先让其他科学家来检验埃利希说的是否正确，才是谨慎的做法。
2．研究中微子形态变化的新发现与新证据。
⑴多次探测到中微子变形现象。2014年3月25日，意大利核物理研究中心网站报道，意大利格兰萨索国家实验室专事研究中微子振荡现象的“奥佩拉”项目组，观察到中微子变形。这是他们自2010年以来，第4次探测到这种罕见现象。
“奥佩拉”项目组协调人、意大利那不勒斯大学副教授乔万尼·德莱利斯说，先前他们已发现过中微子变形，而这次发现是对先前观察的“重要印证”。研究人员在一场学术研讨会上说，日内瓦的欧洲核子研究中心实验室发出μ中微子，在地球中飞行730公里后变形成为τ中微子。
中微子是基本粒子之一，广泛存在于宇宙中。它能轻松穿透地球，基本不与任何物质发生作用，因而难以捕捉和探测，被称为宇宙间的“隐身人”。中微子存在3种类型，分别是电子中微子、μ中微子和τ中微子。这3种中微子被认为可相互转换即“变形”，这种现象称为“中微子振荡”。
德莱利斯说，这次探测数据“前所未有地准确”。报道显示，这次发现的中微子震荡数据的精确度“超过4个西格玛水平”(误差率为千分之6左右)。意大利核物理研究中心副主席安东尼奥·马谢罗也认为，这一发现为所谓“新物理学”，也就是基于标准模型理论的物理学创造了条件。
欧洲核子研究中心发起的“奥佩拉”项目，专门研究中微子振荡，实验室位于瑞士和意大利，项目由全球11个国家和地区、28所研究机构的140名核物理研究人员参与。他们曾于2010年、2012年和2013年宣布发现μ中微子变形成τ中微子现象。
2011年9月，“奥佩拉”项目组还曾宣布发现“中微子超光速”，引起科学界巨大轰动和争议。但次年欧洲核子研究中心复核后指出该“发现”是误差所致，于是“成果”被撤销，当时的项目组负责人也宣布辞职。
⑵首次捕获μ中微子“变身”τ中微子直接证据。2014年6月16日，意大利那不勒斯费德里克二世大学的物理学家、格兰萨索国家实验室发言人乔瓦尼·德莱利斯等人组成的一个研究团队，在英国《自然》杂志发表研究报告称，他们采用乳胶径迹装置的振荡实验，首次捕获到μ中微子“变身”为τ中微子的直接证据。
目前，科学界普遍认为，中微子有三种类型或者“味”：电子中微子、μ中微子和τ中微子。在非常罕见的情况下，中微子会与质子或中子相互作用，生成电子、μ子或τ子轻子，这被称为中微子振荡。长时间以来，科学家们一直不相信中微子能改变其类型，但始终坚信，中微子振荡不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能由此造成。
据报道，2008年到2012年间，欧洲核子研究中心朝730公里远的意大利格兰·索瓦山发射了一束μ中微子束，当到达目的地时，有些μ中微子变成了τ中微子。
最新研究结果表明，当这些中微子撞击格兰萨索国家实验室探测器内的铅靶时，生成了一些τ轻子。德莱利斯说：“这种轻子转眼间就发生了衰变——尽管它以接近光速行进，但只行进了不到1毫米。”
意大利研究团队在15万块“砖”组成的阵列中，探测到了这种短命的粒子。阵列中的每块“砖”重约8公斤，由57块堆在一起的感光板组成。鉴于这套装置的表面积达11万平方米，他们设置了一套自动系统在这些板上搜索微条纹，它会显示τ轻子出现的信号。
2013年，该研究团队发表研究结论称，他们发现了4个可能的τ轻子信号，但根据严苛的物理学法则，这还不足以被宣布为一项新发现。不过，他们现在发现了第五个此类事件，可以宣布试验获得成功了。
（二）探测和捕获中微子的新信息
1．探测中微子取得的新成果。
⑴设计新实验来探寻惰性中微子。2014年7月1日，美国趣味科学网站报道，一台重达30吨的探测器，最近莅临美国费米国家加速器实验室，主要目的是寻找“飘若游龙”的惰性中微子。该实验室发言人、耶鲁大学物理学家邦妮·弗莱明表示，与被科学家们认为赋予物质质量的希格斯玻色子不同，惰性中微子处于完全未知的领域，只有少数科学家相信其存在，因此，最新实验极富“革命性”。
中微子个头小、不带电且几乎没有质量，尽管每秒钟会有1000万亿个来自太阳的中微子穿过人体，但它们几乎不与其他物质相互作用，因而被科学家们称为“幽灵粒子”。
目前，已知有三种类型的中微子：电子中微子、μ中微子和τ中微子，这些中微子会以一定的频率相互转化，这称为中微子振荡。另外，在碰撞过程中，电子中微子能变成电子，μ中微子能变成μ子，τ中微子能变成τ轻子。
但有少量迹象表明，可能还存在着一种全新的中微子。比如，20世纪90年代，科学家们在对来自太阳的中微子进行探测时，发现了疑似电子中微子消失的证据；也有探测中微子振荡的实验发现了多余的电子中微子。科学家们对这些反常现象给出的一个解释是，这些中微子变成了一种名为惰性中微子的中间粒子。
弗莱明表示，如果惰性中微子存在，它们将通过非常微弱的引力同物质相互作用，因此不可能直接探测。新探测器的主要目的，就是寻找惰性中微子的间接证据。
在即将进行的实验中，一束纯μ中微子，会通过这台30吨的装满了氩气的金属罐。尽管大部分中微子，都会毫发无损地通过氩气，但有些中微子会变为电子中微子、τ中微子或惰性中微子。其中的一些中微子，还会与探测器内氩原子的原子核发生碰撞。
随后，探测器通过对碰撞后留下的带电荷粒子进行分析，确定何时、何地以及何种粒子最终被制造出来。因为研究人员知道，在此类碰撞中电子中微子变成电子的频率，所以，最终出现的任何偏差，都可能是μ中微子变成惰性中微子、接着变成电子中微子并最终变成电子的证据。
没有参与该实验的哈佛大学物理学家马特·斯特拉斯表示，尽管发现惰性中微子的可能性微乎其微，但并非不可能。不过，即使新实验发现了某些奇怪的现象，也并不能保证就是惰性中微子，而非其他完全不同的相互作用。
⑵直接探测到太阳内核产生的PP中微子。2014年8月27日，物理学家组织网报道，美国马萨诸塞大学阿莫斯特学院物理学家安德瑞·波卡尔领导的一支超过百人的国际研究团队，借助全球最敏感的中微子探测器，已经直接探测到了在太阳内核发生的、由“基础”质子—质子(PP)融合过程产生的中微子。
波卡尔解释说，在99%的太阳能源产生的步骤中，PP反应是第一步。利用这些中微子的最新数据，我们可以直接着眼于太阳最大能源生产过程的发端或链锁反应，直达其极热的密实核心。
据报道，该研究团队，通过比较中微子和表面光的太阳能辐射，获得了关于太阳热力学平衡的试验资料，这些信息的时间尺度是10万年。波尔卡说：“如果说眼睛是灵魂的窗口，利用这些中微子，我们已经瞥见了太阳的灵魂。”
在太阳核心发生的核聚变过程中，核子作用和不同元素的放射性衰变产生了中微子。这些粒子以接近光速的速度冲出太阳，以每秒4200亿次的频率击打地球表面的每一寸土地。
波卡尔说：“就目前所知，中微子是我们看向太阳内核的唯一途径。当两个质子融合成一个氘，会释放这种PP中微子，这种中微子非常难以研究，因为中微子内部作用产生的能量很低，而充斥着巨量丰富的自然放射现象，轻易就覆盖了其作用时发出的信号。”他补充道：“由于只需要通过弱核力完成相互作用，它们穿过物质几乎不受任何影响，因此，你很难从普通材料的核衰变中检测和区分出它们。”
中微子会以三种状态进入探测器。那些来自太阳核心的，应该是“电子”，当它们从出生地旅行到地球时，会再现其他两种状态“μ介子”和“τ介子”之间摇摆或转换。波卡尔说这：“根据这一现象和以前的太阳中微子测量，探测器再次强烈证实了这种微粒的行为是多么的难以琢磨。”。
有关天体物理学家说，尽管检测PP中微子不是中微子天文台原始实验目的，但它是一次意外的成功，且将这台探测器的灵敏度，推向了此前从未到达的极限。
⑶深层地幔和外太空再次测到中微子。2015年8月，《新科学家》杂志网站报道，意大利核物理国家研究所、格兰萨索国家实验室吉安保罗·贝利里领导的“太阳中微子实验”研究团队，在《物理评论D》杂志发表论文称，他们在地壳和更深层地幔中，探测到中微子的反物质：反中微子，地幔中的反中微子甚至占到总量的一半左右。
中微子几乎没有质量，是在放射性衰变中形成的中性带电粒子。中微子几乎不和其他粒子发生相互作用，每秒钟有数万亿中微子从我们身边经过，我们却全然不知。
格兰萨索的“太阳中微子实验”探测器是一个巨型金属球罐，其内充满300吨的液体闪烁体。反中微子会发射出一个正电子和一个中子。当这两个粒子撞到液体中的粒子时，就会发出特殊的闪光。
该研究团队从2007年开始，在格兰萨索当地探测中微子，之前的“太阳中微子实验”探测器和位于日本的中微子实验探测器都曾发现过反中微子，但信号非常微弱。据报道，这次新研究中，科学家们分析了“太阳中微子实验”探测器2056天获得的详细数据后，发现了反中微子。新发现具有5.9西格玛水平，这意味着，误差只有2.75亿分之一，而粒子物理学家们通常将5西格玛水平置信度作为发现粒子的标准，新发现大大超过了这一标准。
这次新研究中，研究人员还能确定地球内产生中微子的放射物铀和钍的比例，并且首次区分出反中微子是来自地壳还是来自深层地幔。贝利里说：“越来越多的证据表明，深层地幔中也能发现反中微子。”
当“太阳中微子实验”探测器试验在往下寻找中微子时，南极的冰立方探测器也在外太空寻找中微子时再次获得突破。曾在2013年首次探测到两个高能中微子后，冰立方团队已经探测到越来越多的中微子，但最近，他们宣称探测到能量最高的中微子，这些中微子的能量超过2000万亿电子伏特，比大型强子对撞机的碰撞能量还要高150多倍。
这些新发现，有助于物理学家们揭示暗物质等宇宙奥秘。地幔中微子的探测研究，将帮助科学家们更好地理解，放射物衰变如何驱动地幔中岩石层移动等过程。
2．捕捉中微子的新设备与新收获。
⑴运用粒子探测器“冰立方”捕获中微子。2013年12月，外国媒体报道，“冰立方”是世界上最大的粒子探测器，坐落于南极。5000多个传感器，像神经末梢一样分布在南极深厚的冰层中，组成了这张特制的“网”，用于捕捉中微子。它由来自美国、德国、瑞典、比利时、瑞士、日本、加拿大、新西兰、澳大利亚和巴巴多斯的200余名物理学家和工程师组成的合作小组来操作。
自2004年开始，工程师们都会在每年的12月，到南极冰层中铺设光线感应器。到2010年，他们一共钻了80余个深达2500米的冰洞，每两个洞之间相隔800米，而每一条冻结在洞里面的电缆包含有60个光线感应器。
“冰立方”历时10年建成，这个位于南极地下约2.5公里的探测器体量大得惊人。据悉，它的体积，超过纽约帝国大厦、芝加哥威利斯大厦和上海世界金融中心的总和。
报道称，研究人员在分析2010年5月至2012年5月“冰立方”收集的数据后，发现了28个高能中微子，其能量都超过30万亿电子伏特。这是自1987年以来，科学家们首次捕获到来自太阳系外的中微子。特别是，2013年“冰立方”又发现了两个能量大于1000万亿电子伏特的中微子，研究人员借用《芝麻街》里的人物名字，将其命名为“伯特”和“厄尼”。中微子是一种神秘的高能粒子，是宇宙内最剧烈的撞击产物，并被认为是研究宇宙射线的突破口。
研究人员表示，“冰立方”为我们打开了宇宙的一个新窗口。这一发现为进行新型天文学研究铺平了道路，我们可以利用它探测银河系以及银河系以外的遥远区域。在“冰立方”发现中微子的研究人员之一、阿德莱德大学的加里·希尔博士称：“这是我们发现的第一个坚实证据，证明我们探测到来自太阳系以外‘宇宙加速器’的高能微中子。”
⑵“冰立方”捕获到第三个千万亿电子伏特的中微子。2014年4月10日，英国《自然》杂志网站报道，数十年来，科学家一直在搜寻中微子这种“幽灵”粒子。功夫不负有心人，2013年，设在南极洲的“冰立方”中微子天文台发现了两个能量大于1000万亿电子伏特的中微子。现在，据 “冰立方”报告，又探测到了第三个同样能级的中微子，它或许源于宇宙最暴烈的事件。
过去一个世纪，宇宙射线(其实是一种高能粒子)的起源，一直是困扰物理学家们的几大谜团之一。据信，诸如超新星、黑洞或伽马射线的爆发都可能产生宇宙射线，但其起源却很难探测到。于是科学家“曲线救国”，转而追寻中微子，即宇宙射线与周围环境相互作用时产生的亚原子粒子。由于中微子不带电荷，其行进方向不受宇宙磁场的影响，因此可通过行进轨迹追寻到其来源。
但孤僻的中微子很少与其他物质相互作用，这就使其很难被探测到，不过，在极少情况下，中微子会撞到原子，产生一种被称为μ子的粒子以及一种蓝光闪光，这种蓝色闪光能被“冰立方”中微子天文台探测到。
围绕高能中微子和宇宙射线的一个争论是，它们源于银河系还是银河系外？大多数理论认为，它们来自银河系外，比如活动星系核——位于其他星系中央的超大质量的黑洞。但也有人认为，其源于伽马射线暴，当某些超新星或两个中子星相结合时，会产生伽马射线暴。还有观点认为，中微子或许只是星系相互碰撞的副产品。甚至有科学家指出，宇宙射线和高能中微子或许由神秘莫测的暗物质制造出来。
运行两年来，“冰立方”共发现了3个这样的高能中微子。威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员莱辛·怀特霍恩说：“最新研究表明，这3个高能中微子来自银河系外。”
随着实验在接下来数年内收集到的高能中微子越来越多，“冰立方”天文台绘制的中微子来源图将会更详细。科学家们深感兴趣的一个问题是，是否“冰立方”看到的任何粒子都能追溯到已知的宇宙对象，比如可见的活动星系核或伽马射线暴等。不过，迄今为止，他们还没有发现任何与已知来源有关联的证据。
三、研究其他宇宙粒子的新进展
（一）发现与研究希格斯玻色子的新成果
1．发现与希格斯玻色子特征一致的新粒子。
2012年7月4日，欧洲核子研究中心宣布，追寻将近半个世纪后，找到一种新亚原子粒子，这种粒子与据信构成质量的“上帝粒子”、即希格斯玻色子的特征“一致”。由此，万物质量来源之谜或可解开，粒子物理学中缺失的重要一环或可填补。
之所以用“相一致”这样的表述，是因为科学严谨性，要求科学家更加精确地证明，他们所发现粒子的特征和特性。在把误差缩小至既定范围后，“相一致”才能换成“就是”。
欧洲核子研究中心主任罗尔夫・霍伊尔在日内瓦举行新闻发布会上说：“在对自然的理解之路上，我们抵达一座里程碑，作为一个外行人，我会说我们已经发现它(希格斯玻色子)了，但作为一名科学家我不得不问一句，‘我们发现的是什么’。所以，我只能宣布，我们发现一种玻色子，现在我们正在确认它是怎样的一种玻色子。”
由于希格斯玻色子能量巨大、到处存在却难以追寻，因此被称作是“上帝粒子”。过去数十年，数万名物理学家和数以十亿美元计的资金投入研究，用以寻找“上帝粒子”，逐步缩小搜寻范围，直至4日出现突破性成果。
欧洲核子研究中心在声明中说，两座各自独立的实验室，都发现了这种亚原子粒子，质量范围在125至126吉电子伏特之间。两家实验室都宣布，数据结果的统计确定性为5西格玛，或5标准差。5西格玛，换算成统计误差率，大约为0.00006%。
在粒子物理学界，若要证实某一发现，数据统计确定性需要达到5标准差；若要作为证据，统计确定性必须达到3标准差。
欧洲核子研究中心实验室发言人乔・因坎代拉说：“虽然是初步结果，但5标准差和125吉电子伏特的结果让我们确信，这是一个新粒子，我们确认，它必须是一种玻色子，而且是我们迄今为止发现的最重的玻色子，这一发现意义重大。同时，我们必须极其努力地继续研究与反复核校。”
2．研究希格斯玻色子形成的新见解。
⑴认为希格斯玻色子或许不是宇宙最小的粒子。2014年4月2日，美国趣味科学网站报道，1964年，英国科学家彼得·希格斯提出希格斯场的存在，并进而预言了希格斯玻色子的存在，假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。有些科学家认为，尽管希格斯玻色子很小，但其或许并非最小的粒子，宇宙中可能还存在着其他更小的粒子，是这些粒子组成了玻色子。最近也有研究表明，这些被称为“技夸克(techni-quarks)”的粒子很有可能潜伏在宇宙中。
丹麦南丹麦大学的粒子物理学家托马斯·瑞特弗表示，要想找到这些组成希格斯玻色子的粒子，我们需要对目前世界上最大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)进行升级或者研制下一代粒子对撞机才行。他说：“经过仔细梳理，我们找出了几个理论，可用来解释希格斯粒子和希格斯机制。”
2012年，科学家们在欧洲大型强子对撞机内，发现了希格斯玻色子的“踪迹”。这一重大发现，也促使研究希格斯理论的希格斯和比利时科学家弗兰西斯·恩格勒，摘得2013年诺贝尔物理学奖的桂冠。
科学家们借用这一粒子来解释为什么组成物质的基本粒子(比如夸克和电子等)拥有质量。然而，物理学研究表明，当在量子水平上观察时，真空并非空无一物，而是充满了起伏不定的“虚粒子”，虚粒子对不断产生并快速湮灭。
瑞特弗解释道，当希格斯粒子通过真空时，它们应该会同所有的虚粒子相互作用，并在此过程中，让其质量增加到很大值，大约为其在欧洲大型强子对撞机内测量质量的1017，因此，希格斯粒子此时的质量应该能与普朗克质量(约等于2.18×10-8千克)相当。瑞特弗说：“问题在于，为什么希格斯粒子的测量质量比普朗克质量少这么多呢?这真是个问题。”
因为这种质量增加没有发生，所以，统辖粒子物理学的支配理论——标准模型需要进行更高程度的精调，才能纠正希格斯粒子的测量质量和更大质量之间的差异。
瑞特弗表示，这种精调就是我们所说的固有的问题，这也是物理学家们心头的一根刺，“理论本身并不像我们所希望的那么完美优雅，从理论上来说，要想在最基础的尺度上描述所有物质，我们需要对标准模型进行很多精调。”
为了不进行这种精调，而仍然能回答希格斯质量的问题，物理学家们提出对标准模型进行扩展和延伸，其中最著名的就是超对称理论。这一理论认为，标准模型中的每个粒子都存在着一个质量更大的超级对称粒子“超粒子”。超粒子应该能抵消真空中虚粒子的影响，减少希格斯粒子的质量，从而使标准模型不再需要精调。但迄今为止，科学家们没有发现任何理论上的超对称粒子的“蛛丝马迹”。
瑞特弗表示，有不少理论指出，希格斯粒子或许也有组成成分——它由其他更小的名为“技夸克”的粒子组成。瑞特弗说：“如果希格斯粒子由自然界中比其更小的‘砖块’通过一种新的力——艺彩力组成，就像夸克结合在一起形成质子和中子一样，那么，问题就迎刃而解了。”
那么，“技夸克”如何解决这个质量问题呢？瑞特弗说，技夸克粒子的自旋为1/2，因此，两个技夸克集合在一起能形成像希格斯粒子这样自旋为零的复合粒子，“研究结果表明，只有将技夸克考虑在内，才不会出现我们上述的质量问题。”
其实，自20世纪70年代末，就有人提出了这种涵盖技夸克的想法，最近，科学家们对最初的模型进行了非常重要的梳理和提炼工作。
在最新研究中，瑞特弗和同事再一次认为，希格斯粒子必须拥有内部结构，而且，他们也找出了一些理论，“这些理论都很坚定地认为，希格斯粒子确实由某些基本成分组成，这些理论能很好地解决标准模型的精调问题，并让亚原子世界进入和谐状态。”
理论物理学家基莫·图奥米宁并没有参与瑞特弗的研究，他接受美国趣味科学网站采访时表示，尽管希格斯粒子的结构仍然成谜，但“技夸克”是一种可能性，未来，我们应该对此进行更深入彻底的研究。
他还说：“在更高对撞能量下收集到的数据，或许能使我们对艺彩模型进行检测，如果我们发现希格斯粒子确实由更基本的粒子组成，这或许表明存在着一种新的基本力，而且，这些理论也将加深和推进我们对于暗物质的理解。”
⑵找到希格斯玻色子直接衰变成费米子的证据。2014年6月23日，物理学家组织网报道，欧洲核子研究中心研究人员在《自然·物理学》上发表论文称，他们首次找到了希格斯玻色子直接衰变为费米子的证据。在此之前，希格斯粒子只能通过其衰变成为玻色子来探测。这项新成果，为2012年发现这种行为与粒子物理标准模型所预测方式一致的粒子，再添强力佐证。
参与分析数据的瑞士苏黎世大学物理研究所教授文森佐·奇奥奇卡解释说：“这是向前迈进的重要一步。我们现在知道，希格斯粒子可以衰变成玻色子和费米子这两种粒子，这意味着我们可以排除某些预言希格斯粒子不会与费米子耦合的理论。”作为一群基本粒子，费米子是构成物质实体的粒子，而玻色子充当费米子之间传递力的工具。
根据粒子物理标准模型，费米子和希格斯场之间相互作用的强度，必须与它们的质量成正比。奇奥奇卡说：“这个预言已经被证实了。强有力的迹象表明，2012年发现的粒子的行为，实际上很像该理论中提出的希格斯粒子。”
（二）研究原子与反物质原子的新成果
1．探索原子方面取得的新进展。
成功获得酷似经典原子模型的超大“波尔原子”。2008年7月1日，美国莱斯大学物理学和天文学教授巴里•邓宁领导的研究小组，在《物理评论快报》网站上发表研究成果称，继丹麦著名物理学家尼尔斯•波尔在近一个世纪前提出氢原子模型后，他们成功地获得了直径接近1毫米、与波尔的经典力学原子模型极其相似的超大原子。
1913年，波尔首次创立了原子理论模型，他认为电子围绕着原子核进行圆周运动，如同行星环绕恒星飞行。波尔的模型引导人们更深入地认识了原子的化学和光学特性，他本人也因此在1922年获得诺贝尔奖。然而，波尔模型中关于电子在原子核周围分离轨道上进行环绕运动的观点，最终被量子力学理论所取代，后者揭示电子并不具有精确的位置，而是呈现类似波动状态的分布。
邓宁表示，在足够大的原子系统中，原子量级的量子效应，能够转变为波尔模型阐述的经典力学。该研究小组利用处于高激发态的里德伯原子和一系列脉冲电磁场，通过操纵电子的运动，让电子出现了像行星围绕恒星那样在原子核周围进行圆周运动的状态。
实验中，研究人员首先使用激光器光波照射钾原子，让其处于高激发态。然后利用精细设计的一系列短电子脉冲，来诱导原子形成一个精确的稳定构造。这时，点状“固定”电子，在远离原子核的轨道上绕核做圆周运动。研究人员表示，事实上这种状态的原子体积非常巨大，其直径接近1毫米。
测量显示，呈“固定”状态的电子在多个轨道上，其行为同经典粒子所描述的十分类似。邓宁认为，他们的研究工作，无论是对未来计算机的开发，还是对经典和量子混沌学的研究，都具有潜在应用价值。
2．探索反物质原子方面取得的新进展。
⑴研制为反氢原子等反物质称重的设备。2014年4月1日，趣味科学网站报道，“牛顿因苹果从树上坠落而产生有关万有引力灵感”的传奇故事，至今为人津津乐道。那么，苹果的反物质——“反苹果”究竟是上升还是下落？这个问题一直困扰着物理学家。不过，美国加州大学伯克利分校的物理学家霍尔格·穆勒领导的研究团队，正在研制的一套给反氢原子等反物质称重的设备，或许能揭晓答案。
反物质与物质有些方面完全一样，而有些方面则完全相反。例如，质子与反质子质量相同，但所带电荷完全相反。另外，当粒子与其反粒子相遇时会相互湮灭，释放出巨大能量，1克反物质与1克物质相互湮灭产生的能量，约为第二次世界大战中美国向日本广岛投放的原子弹所释放能量的两倍。
穆勒说：“我们并没有真正理解反物质。比如，基本物理学法则表明，宇宙中物质和反物质的数量应该相等，但观察结果却显示，物质远多于反物质，我们至今也未找到一致认可的解释。”
另外，引力也被笼罩着多层神秘面纱。例如，天文学家们在观察星系如何旋转时发现，让星系紧密簇拥在一起的引力，比他们认为的要大得多。穆勒说：“科学家们普遍认为这些引力来自暗物质，但没人知道其‘庐山真面目’。”
最重要的是，科学家们一直想知道，反物质是否同普通物质一样，由于引力作用向下落。而解答这个问题的直接证据很难通过实验收集到，因为反物质很罕见，而且与普通物质接触时会湮灭。穆勒说：“此前还没有人将反物质和引力结合起来进行实验，有些人获得了间接证据，但最简单的实验——让一簇反物质下落，然后观察会出现什么情况，还未曾有人做过。观察反物质和引力的相互作用，或许是我们获得新物理学发现的美妙契机。”
穆勒研究团队正在研制的是一款光脉冲原子干涉仪，它能测量任何粒子(原子、电子及其反粒子等)的行为。粒子被冷却到绝对零度后，其行为与波类似。通过分析这些“物质波”间的相互干涉情况，科学家能区分出每个粒子所受的引力。他们计划将这款设备整合进欧洲核子研究中心的阿尔法实验内，后者旨在制造、捕获和研究最简单的氢原子的反物质“反氢原子”。
因为用来进行实验的反氢原子很少，所以最新系统必须能“回收”每个原子。磁场会捕获这些原子，因此该设备能对每个原子的一举一动进行多次测量。科学家们希望这套系统在测量反氢原子是上升还是下落时的精度最初能超过1%。
⑵提出“量产”反氢原子的理论。2015年5月，澳大利亚科廷大学和英国斯旺西大学科学家组成的一个研究小组，在《物理评论快报》上发表论文称，他们从理论上，找到一种可将反氢原子生产效率提高几个数量级的方法。他们认为，这项发现可以满足未来实验的需求，在更低的温度下大量生产出能被长时间约束的反氢原子。
很多科学实验围绕反物质展开，从研究其光谱测量的属性，到测试它们如何与引力相互作用。但要进行实验，必须拥有这些反物质。当然，在大自然中反物质不会被找到，因为反物质与普通物质相遇后释放能量即湮灭，因此，在实验室制造出反物质非常具有挑战性。
研究人员说：“物理学定律认为，宇宙大爆炸之后，物质和反物质是等量存在的。但一个未解的科学之谜就是，所有的反物质都哪去了？为了回答这个问题，欧洲核子研究中心(CERN)的科学家，打算用反物质做引力和光谱实验。最简单的研究对象就是反氢原子。然而，在实验室中创建反氢原子的研究非常富有挑战性，且造价极其昂贵。”
反氢原子对科学家很有吸引力，部分是因为它自身的性质：它由一个反质子和一个正电子/负电子组成，因为只有两个粒子，所以反氢原子比其他较大的反原子更容易生产出来。
2002年，科学家第一次在欧核中心制造出反氢原子。2010年他们将它“局限”了30分钟。最终氢原子“销声匿迹”了，因为它与实验装置的墙壁相互作用，或者与背景气体产生了反应。
在实验室中，有好几种方法可以产生反氢原子，其中一种方法叫做反质子—电子偶素散射反应。到目前为止，大多数这种反应被证明处于基本态。此次科学家从理论上证明，用处于兴奋态的电子偶素与反质子碰撞，能显著提高反氢原子的生产能力，特别是耗费能源显著降低。
这是首次验证了低能耗生产反氢原子效率的理论。科学家希望这种方法，能够大量生产冷的反氢原子，进而用于测试反物质的基本属性。
⑶首次完成反物质原子光谱测量 。2016年12月19日，丹麦科学家杰弗里·汉斯特领导的研究团队，在《自然》杂志网络版发表研究报告称，他们对反物质原子进行首次光谱测量，实现了反物质物理学研究长期以来的一个目标。该成果体现了粒子物理学研究的重大进展，标志着人类向高精度测试物质与反物质行为是否不同，迈进了重要一步。
当今，宇宙为何看起来几乎全由普通物质构成，这是物理学界的一个重大谜题。因为根据粒子物理学经典模型的预测，在大爆炸发生之后应存在等量的物质和反物质。光照射可以激发原子，当原子恢复至基态时会发光，光的频率分布形成，可以借用其光谱精确地测量出原子属性，这也是光谱学的基本原理。但是，反物质难以产生和捕捉，因为反物质一旦与物质接触就会湮灭，这为科学家测量其属性带来挑战。
欧洲核子研究中心反质子减速器的最新进展，让研究人员有能力得以捕捉和测量反质子与反氢原子。汉斯特是欧核中心反氢激光物理装置项目成员，现在，他的研究团队在圆柱形真空腔内成功磁捕获反氢原子。这一真空腔长仅280毫米，直径为44毫米，研究人员通过真空腔上的窗口向里面照射激光，测量了反原子1S—2S的跃迁(从基态向激发态跃迁)情况。
研究团队报告称，反氢的跃迁频率与氢的跃迁频率一致。氢的光谱已经得到高精度表征，因此反氢光谱学的改进，应可以促成对物质—反物质对称性的高敏度测试。
反氢激光物理装置，是欧核中心捕获反原子的“利器”。该项目组，此前曾用特殊磁场，将反氢原子“抓住”达1000秒，还曾首次对反物质与引力的相互作用进行直接分析。
（三）研究轴子与质子取得的新成果
1．探索轴子方面取得的新进展。
提出证明轴子存在的新方法。 2012年6月18日，物理学家组织网报道，奥地利维也纳技术大学理论物理系丹尼尔·格鲁米勒率领的研究小组，在《物理评论D》杂志上发表论文称，寻找新的粒子通常需要很高的能量，因此需要构建大型加速器等设备，它可将粒子加速至接近光速的速度。但他们认为，寻找粒子应该还有其他方式。现在，他们提出了一种新办法，能够证明假想的亚原子粒子即“轴子”的存在。因为这些轴子能够在黑洞周围积聚，并从中汲取能量，这一过程将放射重力波，并能被探测出来。
格鲁米勒表示：“轴子的存在一直未被证明，但学界普遍认为它很可能存在。”轴子的质量极其微小，根据爱因斯坦的理论，质量与能量直接相关，因此生成轴子只需要极低的能量。
在量子物理中，每个粒子都被描述为一种波。波长则与粒子的能量相关。较重的粒子波长较短，而低能量的轴子的波长可达数千米。格鲁米勒等人的计算结果显示，轴子能环绕在黑洞周围，就像电子能围绕原子核运动一样。而与连接电子和原子核的电磁力不同，万有引力才能将轴子和黑洞联系起来。
此外，原子中的电子和环绕黑洞的轴子，仍存在着巨大的不同：电子是费米子，这意味着两个电子永远不会处于同一个态；而轴子属于玻色子，这表示大多数轴子都能在同一时间占据相同的量子态。它们能在黑洞周围创造出“玻色子云”，这种云将连续不断地从黑洞中汲取能量，从而增加云中的轴子数量。
格鲁米勒表示，这种云并不十分稳定，它也能够突然崩塌。而最令人兴奋的是，坍缩时很可能测量到“玻色—新星”爆发，即由玻色—爱因斯坦凝聚态所诱发的、非常小的、超新星状的爆发。这一事件，能够催生时空的振动，放射出重力波。科学家因此可借助相关探测器，对其进行捕获。新的计算结果也显示，这些重力波不仅能够为我们提供有关天文学的新见解，也有助于研究人员更好地了解新型粒子的特性。
2．探索质子领域获得的新进展。
实现质子磁矩迄今最高精度的测量。2014年5月29日，德国美因茨市约翰尼斯·古登堡大学物理学家安德烈亚斯·穆塞尔领导的研究小组，在《自然》杂志上发表研究成果称，他们以迄今最高的精度，测量了质子磁矩。这项成果，虽然不像大型同步加速器实验那样引人瞩目，但对基本常数或原子性质的测量，也能为寻找“标准模型”以外的物理定律，作出重要贡献。
为了试图解决宇宙中缺失的反物质之谜，物理学家已经完成了迄今为止针对质子固有磁性的最精密测量。研究人员指出，一旦与反质子磁矩的直接测量相结合，这项工作将会为物质—反物质对称性的严格验证铺平道路。
该研究小组掌握了一项技术，从而能够以3ppb(十亿分之一)的精确度，测量一个质子的磁矩，即条形磁铁力的微观等价物。
该项实验，是为了弄清为什么宇宙，似乎充满了物质而非反物质的一项尝试的一部分。反物质作为物质的一种镜像，虽然完全相同但却翻转了几个关键特性。当两者相遇时，能量便会在一瞬间湮灭。物理学家认为，宇宙大爆炸曾形成了相同数量的物质和反物质，而事实上，剩余下的任何物质都会成为一个难题。
穆塞尔指出，在早期宇宙中，能够揭示不对称的质子和反质子之间磁矩的任何差异，可能对有利于物质的结果起到了决定性作用。他说：“当前的物理学理解是这两个值应该是相等的。”
一个质子的磁矩，产生于被称为旋转的一种基本量子属性，它导致一个质子的作用相当于一个具有南极和北极的小磁铁。当添加一个外部磁场后，质子的自旋可以同这一磁场匹配，或发生翻转。
在最新的研究中，通过观测单个质子在这两种状态下的翻转，研究人员计算了质子的磁矩。最终，他们的测量结果比之前最好的直接测量值，精确了760倍。
日本东京大学物理学家龙乡早野认为：“这项试验无疑是一大突破性进展”。但他认为，这只是一个开始。他说：“研究人员会希望自己能够使用类似的方法，对一个反质子的磁矩达到类似的精确测量水平。”
反物质是一种人类陌生的物质形式，在粒子物理学里，反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的。反物质和物质是相对立的，会如同粒子与反粒子结合一般，导致两者湮灭并释放出高能光子或伽马射线。1932年由美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在。随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子。迄今为止，物理学界已经发现了300多种基本粒子，这些基本粒子都是正反成对存在的，也就是说，任何粒子都可能存在着反粒子。
（四）研究B介子与μ子取得的新成果
1．探索B介子领域取得的新进展。
⑴大型强子对撞机检测到B介子衰变。2015年5月14日，欧洲核子研究中心的科学家，在英国《自然》杂志上发表论文称，他们在大型强子对撞机中，检测到中性B介子粒子极为罕见的衰变。自从粒子物理标准模型预测到这种衰变，物理学家寻找该衰变过程的证据，已经超过30年了。此次新的观测结果，证实标准模型做出的预测。科学家们希望，在大型强子对撞机进行的新实验，可以准确探究这种衰变的特性。
基本粒子是人们已能认知的组成物质的最基本结构，粒子物理的标准模型，描述了基本粒子的属性和它们之间的相互作用。通过测试标准模型做出的理论预测，可以检测标准模型的准确性，或是对其作出一定修正，以便回答一些当前无法用标准模型解释的问题，例如，反物质的起源。
此次研究人员发现中性B介子衰变成μ子，这提供了对于粒子物理标准模型准确性的严格测试，因为这种衰变对于模型的不完整之处非常敏感。以往的实验也曾有发现这种衰变的证据，但是此次是由大型强子对撞机的两个探测器——紧凑μ子线圈和大型强子对撞机底夸克实验负责采集和分析的，两组实验获得的数据提供了对衰变速率的测量信息，其结果与标准模型作出的预测一致。同时，这个实验的观察和分析结果，也对标准模型的扩展带来了一定的约束。
研究人员寄希望于大型强子对撞机进行的新实验，可以更为准确地探究这种衰变的特性。在经过两年的升级和准备后，大型强子对撞机于上个月正式重新启动，并在本月稍早时间进行了重启后首次撞击，为其6月份将展开的第二阶段对撞实验做准备。届时，其质子束流的总能量，将达创纪录的13万亿电子伏特。
⑵在B介子衰变中发现标准模型外的全新粒子。2017年4月18日，欧洲核子研究中心官网报道，其负责监测粒子衰变过程的大型强子对撞机底夸克实验组，在B介子衰变中发现了与标准模型不符的偏差信号，预示着可能捕捉到标准模型以外的全新粒子。
B介子由基本粒子夸克组成，可细分为4种，只能存在一万亿分之一秒，其衰变过程成为科学家们观测新粒子的间接方法。如果衰变的速度和细节偏离了标准模型的预测，就证明有新粒子介入，与B介子发生作用。
大型强子对撞机底夸克实验组科学家，在当天举行的欧洲核子研究中心内部讨论会上，公布了这一最新实验结果。他们发现，一种B介子在衰变为K介子的过程中，产生渺子(μ子)和反渺子的概率小于产生电子和正电子的概率，这种概率分布不均与标准模型的预测有所偏差。根据标准模型，衰变成渺子和反渺子与电子和正电子的概率应该均等。
实验组成员、巴塞罗那自由大学约奎姆·马蒂亚斯说：“之前我们已经发现5次类似偏差，加上这次观测到的B介子衰减偏差，对这一系列偏差的最好解释就是：存在一种新的粒子。”
标准模型是现代粒子物理学的基石，其61种基本粒子中的最后一个希格斯玻色子，已在2012年由大型强子对撞机找到，但物理学家们一直渴望能发现存在于标准模型以外的新粒子和新物理现象。部分科学家对这次新数据提出假设，认为这种标准模型以外的第一个新粒子可能是Z9玻色子；还有科学家则假设其为一种夸克与电子的结合体，即轻子夸克。
马蒂亚斯认为，这是个值得召开新闻发布会的重大发现。但其他物理学家谨慎表示，这次偏差只有2.2到2.5个西格玛，距离得出肯定结论要求的5个西格玛以上还差很远，需要进一步观察类似衰变，以验证这些偏差线索究竟是统计学波动，还是新粒子存在的证据。
2．探索μ子方面取得的新进展。
⑴认为宇宙射线μ子会扰乱基本时钟。2015年11月，波兰华沙大学物理系安德杰伊·德拉甘领导，他的同事及英国诺丁汉大学理论物理学家参与的一个国际研究团队，在《经典与量子引力》杂志上发表论文指出，在存在巨大加速度的运动系统中，理想时钟只不过是为了方便而虚构的，从基本原理上讲，要建造一台能精确检测时间的时钟是不可能的。
德拉甘说：“无论在狭义相对论还是广义相对论中，都默认了一个假设，即总能建造一台理想时钟，对系统中的时间流逝做出精确计量，无论该系统处在静止、匀速运动还是加速运动中。而事实却是，当涉及到很大的加速运动时，这种简化的假设就失效了。”
最简单的时钟，是不稳定的基本粒子，如μ子。μ子的性质类似电子，但质量是电子的200多倍。地球上的μ子通常来自宇宙射线，即太空中的高能粒子流。μ子很不稳定，通常会衰变成一个电子、一个μ中微子和一个电子反中微子。其静止寿命是2.2微秒，按光速计算只能飞660米。但实际上，当它以近光速飞行时，在地面上看它的寿命很长，长到足以从太空进入数千米的地下，这就是著名的“钟慢效应”：μ子运动得越快，实验人员看到它们衰变的可能就越小。所以速度会影响时钟的计时。
该研究团队研究了做直线加速运动的不稳定粒子，他们分析的要点是加拿大物理学家威廉·盎鲁1976年提出的“盎鲁效应”。德拉甘解释说：“粒子与观察者之间并非完全相互独立，这与人们的直觉相悖。比如多普勒效应，从一个运动光源发出的光子，在朝向光源的观察者看来偏蓝，而在背离光源的观察者看来偏红。盎鲁效应有些类似，但更加奇妙：在某些空间区域，在非加速运动的观察者看来是量子场真空，而在加速运动的观察者看来却有许多粒子。”
盎鲁效应方程所描述的是，在量子场中可以看到的粒子数量取决于观察者的加速度，加速度越大，能看到的粒子数越多。这些非惯性效应可能是由于观察者的运动，但其根源还是重力场。有趣的是，盎鲁效应和霍金辐射（黑洞发出的辐射）也很类似。
据研究人员分析，作为基本时钟的不稳定粒子的衰变，是与其他量子场互相作用的结果，也就是说，如果粒子还留在真空中，它衰变的节奏和周围与其互动的其他粒子不同。因此，如果在一个有极大加速度的系统中，由于盎鲁效应，会看到更多粒子，粒子的平均衰变时间会发生变化。
德拉甘说：“我们的计算显示，在超过某个很大的加速值后，基本粒子衰变就会出现时间上的混乱，如果这种混乱能影响像μ子这样的基本时钟，也就能扰乱任何建立在量子场论基础上的其他装置。因此想要完全精确地测出正确的时间，是不可能的。由此进一步推论是，无法精确检测时间，也就无法精确检测距离。”
时间和空间的概念，在此失去了传统意义，假设的量子引力理论开始发挥关键作用，预测一些特殊的现象。科学家认为，这也是邻近最初大爆炸时的必要条件。
德拉甘说：“我们在论文中指出了测量时间和空间所引发的问题，其实根本无需大爆炸这种极端的条件，即使在目前的宇宙中，当我们想检测那些有很大加速度的系统时，时间和空间也很可能因无法精确检测而终止。”
这些发现意味着，只要加速度足够大，任何建立在时间、空间概念基础上的理论都不再适用。这带来了有趣的问题。如果在极端加速系中无法造出能精确计时的时钟，仅仅是检测方法的缺陷吗？还是“时间”本身就有问题？无法精确计量这种性质是否有其物理意义？
在现代实验中，加速器能赋予粒子的加速度，比20世纪70年代要高出几个数量级。今天我们应该能通过实验看到盎鲁效应，由加速度引起的粒子衰变时间的变化，应该也能被看到。因此，物理学家们关于理想时钟的论断将很快得到验证。
德拉甘说：“如果我们的预测被实验证明，人们对与时空有关的诸多事物，如时间及其计量方法，都要开始重新认识。”
⑵准备借助宇宙μ子射线粒子揭开金字塔建造之谜。2016年2月，物理学家组织网报道，法国遗迹创新保护研究所主席迈赫迪·塔尤比、副主席哈尼·希拉勒与埃及开罗大学学者共同组成的国际研究团队，近日表示，他们将借助在埃及金字塔中收集到的宇宙μ子射线粒子，探寻这些具有4600年历史的古老建筑的建造之谜。
塔尤比表示，他们在埃及弯曲金字塔中置入的装置，已经收集了关于μ子射线粒子的数据。这种粒子可以在空间中传播，但是遇到坚硬的表面时，会被吸收或发生偏转。该团队希望，通过对μ子射线粒子进行分析，来精确获知金字塔的内部建造结构。
希拉勒说：“关于埃及金字塔的建造，并没有一个理论得到了百分之百的证实或检验，它们都只是理论和假说而已。我们试图利用这项新技术，来证实、改变、升级或完善目前关于金字塔建造方法的假说。”
弯曲金字塔，位于开罗附近的代赫舒尔，其显著特征是侧面具有平滑的坡度。人们相信，这是古埃及尝试建造的第一座具有光滑表面的金字塔。塔尤比表示，该团队计划，在一个月内，开始准备对胡夫金字塔中的μ子进行测试。胡夫金字塔，是埃及现存金字塔中规模最大的一座。
塔尤比说：“即使我们在某个地方，发现了只有一平方米的(μ子)空白区域，它也会提出新的问题和假设，而且可能为解决具体问题提供帮助。”
⑶计划重新测量μ子的磁矩。2017年4月11日，《自然》杂志网站报道，美国费米实验室当天表示，他们将于下月重新测量μ子的磁矩。这项研究有可能揭示未知的虚粒子，从而开辟超越标准模型的新物理学。
μ子带负电，质量为电子的200多倍。量子理论认为，宇宙中的能量于短暂时间内在固定的总数值左右起伏，从这种能量起伏产生的粒子就是虚粒子。“短命”的虚粒子分布在实物周围。物理学家们已揭示了光子等虚粒子的性质，但可能还有一些未知的虚粒子，而μ子或对它们格外敏感。
磁矩是μ子的一种基本属性，与粒子内在的磁性有关，在与虚粒子相互作用时，μ子的磁矩会发生变化。15年前，美国布鲁克黑文国家实验室的测量结果显示，μ子的磁矩比理论预测大。物理学家们认为，与未知粒子的相互作用导致了这种异常。最新的μ子g-2实验，也旨在以前所未有的精确度测量μ子的磁矩。
实验联合负责人、波士顿大学物理学家李·罗伯茨表示，新实验使用的μ子数目将增加20多倍，可将不确定性缩小4倍。如果实验再次证实μ子的磁矩比理论预测大，那么最可能的解释是未知的虚粒子在起作用。
实验成员、德国德累斯顿工科大学理论学家多米尼克·斯特克林格说，尽管结果并不一定能准确地表明这种虚粒子究竟是“何方神圣”，但它会提供线索帮助其他实验确定新粒子，借助大型强子对撞机应该可以“揪出”这些粒子。
斯特克林格说：“它可能是超越标准模型的物理学的首个直接证据，也将是全新粒子的首个直接证据。”
（五）研究夸克及其相关新粒子的新成果
1．探索夸克方面取得的新进展。
测出迄今最精确的顶夸克质量。2014年3月19日，欧洲核子研究中心与美国费米国家实验室，在一个国际物理学会议上联合宣布，科学家们通过欧洲大型强子对撞机实验与美国万亿电子伏特加速器实验，已成功测出目前最为精确的顶夸克质量。
夸克是构成物质的基本单元，由比质子、中子更微小的物质组成。顶夸克则是科学家最后发现的一种夸克，被认为是了解宇宙本质的最重要工具之一。顶夸克只在宇宙大爆炸初期的几分之一秒内以自然状态存在过；而顶夸克出现后，会在观察者还来不及眨眼的瞬间就衰变为其他；顶夸克也是目前发现最重的夸克，质量超过质子的100倍。其巨大的质量，注定了只有很大的能量才能使其产生。
1994年4月6日，正是美国费米实验室利用粒子加速器首次发现了顶夸克的存在，在欧洲大型强子对撞机诞生前，它也是唯一有能力使顶夸克“现身”的仪器。2009年大型强子对撞机开始运行后，制造了接近1800万个顶夸克事件，以此成绩跃居为全球领先的“顶夸克工厂”。
此次对顶夸克质量的精确测量，将可保证进一步验证并描述顶夸克、希格斯玻色子与W玻色子间量子联系的数学框架，科学家们也将在此基础上寻找新物理的“暗示”，即能更好理解宇宙本质的新理论。
2．探索含有夸克新粒子取得的新进展。
⑴发现两个已被理论预测过的含夸克新粒子。2014年11月20日，英国《每日邮报》报道，欧洲核子研究中心的科学家，通过对大型强子对撞机，从2011年至2012年间对撞的数据进行分析，发现了两个此前已被理论预测过但从未“现身”的亚原子粒子：Xi_b’和Xi_b*，他们对此深感兴奋，认为新粒子有望从与标准模型不一样的新角度，来讲述宇宙的运行原理。
欧核中心科学家、荷兰国立核物理和高能物理研究所的帕特里克·科普布克博士介绍说，新粒子的质量约为质子质量的6倍，属于重子家族。重子是由三个夸克组成的复合粒子(或三个反夸克组成反重子)，质子和中子也是重子。夸克是目前已知的最小粒子之一，6种不同的夸克，采用不同的方式结合在一起产生了更大的粒子。新发现的两个粒子，都由一个奇夸克、一个下夸克以及一个底夸克组成。其中，在Xi_b*粒子内部，更轻的奇夸克和底夸克的自旋呈一条直线；而在Xi_b’粒子内部，它们则指向相反的方向，这使得前者的质量更大一点。
尽管质子和中子等粒子在宇宙中随处可见，但有些粒子很快会衰变，而且非常难找到。有鉴于此，在过去数年间，欧核中心的科学家一直通过让粒子，以接近光速的速度相互撞击来获得亚原子粒子。粒子间的相互碰撞会释放出大量的能量，仿佛宇宙大爆炸时的情景再现，制造出的“原始汤”中，会出现很多大爆炸时存在但现在已消失的粒子。
科学家们表示，研究结果与此前基于量子色动力学进行的预测相匹配，量子色动力学是粒子物理学标准模型的一部分，粒子物理学标准模型描述了组成物质的基本粒子，以及它们之间的相互作用。在更高精度下对量子色动力学进行测试，对于我们更精确地理解夸克的动力学非常关键。
科普布克说：“现有的标准物理学的理论模型，似乎无法对宇宙的运行进行全面的解释，新粒子的发现也验证了我们可能要迎接新的理论。如果我们想要发现新的超越标准模型的物理学，那么，我们首先需要一副非常精准的粒子图谱，这样高度精确的研究将有助于我们厘清标准模型和将来要发现的新事物之间的区别。这两个新粒子的发现，是物理学的重要时刻，它们将有助于科学家们更进一步地理解宇宙在亚原子尺度如何运转。”
⑵发现内含夸克的不同能态全新5粒子系统。2017年3月，欧洲核子研究中心近日在著名论文预印本网站上发文称，该中心大型强子对撞机底夸克实验组，发现了一种新的5粒子系统，而其最独特之处在于，这5个粒子分别处于不同的能态。
该实验组捷报频传，各种重要物理实验结果层出不穷。仅最近几个月，他们就频频宣布一系列重大发现，如测量到一种非常罕见的粒子衰变，为物质—反物质不对称找到了全新证据等。
这次宣布的重大发现中，他们检测到重子(Ωc0)的5种激活态“共处一室”。处于能量最低态即基态的重子(Ωc0)是含有3个夸克的复合粒子，由两个奇异夸克和一个粲夸克组成。在施加强力作用后，基态重子衰变成另一种形式的重子，包含一个粲夸克、一个奇异夸克和一个上夸克，以及一个中介子(K)。新重子内的3个夸克继续衰变，分别变成质子(P)、中介子(K)和介子(π)。
通过对粒子轨迹和探测器内剩余能量进行详细分析，该实验组“还原”出基态重子的衰变过程，并检测到5种激活态重子形式，并分别命名为Ωc(3000)0、Ωc(3050)0、Ωc(3066)0、Ωc(3090)0和Ωc(3119)0，括号内的数字是以兆电子伏特(MeV)来表示的粒子质量。
这次新发现背后的“功臣”，来自于新探测器在精确识别不同类型粒子方面的强大专业能力。这意味着，除了该实验组第一次和第二次运行期间累积的大量数据，精密仪器也功不可没。
该实验组接下来将确定这5个粒子的量子数，揭示其重要特性，并确定新系统的理论物理意义。新发现将有助于理解三夸克重子的内部组成以及探索夸克之间的相关性，这些认知对研究四夸克和五夸克等多夸克粒子态具有重要意义。
