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幽靈般的中微子:我們?cè)絹?lái)越接近了解它的質(zhì)量

2019/10/30 9:04:04 來(lái)源:新浪科技 作者:任天 責(zé)編:孤城

北京時(shí)間10月30日消息,據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,在宇宙中所有的已知粒子中,只有光子的數(shù)量超過(guò)中微子,然而,盡管中微子數(shù)量眾多,但由于它們與物質(zhì)的相互作用非常微弱,因此很難捕捉并進(jìn)行檢測(cè),每秒鐘大約有1000萬(wàn)億個(gè)幽靈般的中微子穿過(guò)你的身體,但它們甚至都不會(huì)與一個(gè)原子發(fā)生接觸。

中微子是目前已知的唯一質(zhì)量未知的粒子,測(cè)量其質(zhì)量將有助于發(fā)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理定律。

中微子無(wú)處不在,但我們甚至不知道它們的重量,這真的有點(diǎn)瘋狂。

長(zhǎng)期以來(lái),物理學(xué)家們一直試圖稱(chēng)量中微子的質(zhì)量。今年9月,經(jīng)過(guò)18年的籌劃、建造和校準(zhǔn),位于德國(guó)西南部的卡爾斯魯厄氚中微子(KATRIN)實(shí)驗(yàn)宣布了首批結(jié)果:中微子的質(zhì)量不超過(guò)1.1電子伏特(eV),約為電子質(zhì)量的15萬(wàn)分之一。

這個(gè)初步估計(jì)值僅來(lái)自一個(gè)月的數(shù)據(jù),但與之前使用類(lèi)似技術(shù)的測(cè)量結(jié)果相比,已經(jīng)有所改進(jìn)。此前的研究中,研究人員將中微子質(zhì)量的上限設(shè)定為2ev。隨著數(shù)據(jù)的積累,KATRIN的目標(biāo)是確定實(shí)際的中微子質(zhì)量,而不是僅給出一個(gè)上限。

為什么要研究中微子質(zhì)量?

2006年,卡特琳實(shí)驗(yàn)的主光譜儀被運(yùn)送到德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心

質(zhì)量是基本粒子最基本、最重要的性質(zhì)之一。中微子是目前已知的唯一質(zhì)量未知的粒子,測(cè)量其質(zhì)量將有助于發(fā)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理定律。在粒子物理學(xué)中,標(biāo)準(zhǔn)模型是描述宇宙中已知粒子和力之間如何相互作用的理論,盡管到目前為止,強(qiáng)力、弱力和電磁力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都合乎標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè),但該模型并不完整。測(cè)定中微子的質(zhì)量也可以用來(lái)檢驗(yàn)宇宙學(xué)家關(guān)于宇宙如何演化的理論,根據(jù)最后得到的中微子質(zhì)量結(jié)果,我們可能會(huì)迎來(lái)宇宙學(xué)中非常激動(dòng)人心的時(shí)刻。

直到大約20年前,科學(xué)家還認(rèn)為中微子是沒(méi)有質(zhì)量的。1930年,科學(xué)家在理論上預(yù)測(cè)了中微子的存在,并在1956年觀(guān)測(cè)到了這種粒子。

2015年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)改變了這種情況。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn),中微子可以從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài),在三種“味”之間振蕩:電中微子、μ中微子和τ中微子。只有當(dāng)中微子也具有三種可能的質(zhì)量本征態(tài)時(shí),這些振蕩才會(huì)發(fā)生;對(duì)于每一種味態(tài),都可由幾種質(zhì)量本征態(tài)混合形成,因此要求中微子質(zhì)量非零。質(zhì)量本征態(tài)在空間中以不同的方式傳播,所以當(dāng)中微子從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)時(shí),這種混合的概率就會(huì)改變,從而使探測(cè)器可以測(cè)量不同的味態(tài)。

根據(jù)最近的中微子振蕩數(shù)據(jù)(揭示了質(zhì)量本征態(tài)之間的差異,而不是它們的實(shí)際值),如果最輕的質(zhì)量態(tài)為零,那么最重的質(zhì)量態(tài)必須至少為0.0495eV。

盡管如此,與其他粒子的質(zhì)量相比,中微子的質(zhì)量還是太輕了,以至于物理學(xué)家都不確定中微子是如何獲得如此小的質(zhì)量的。標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他粒子通過(guò)與希格斯場(chǎng)(一種充滿(mǎn)所有空間并拖曳大量粒子的能量場(chǎng))相互作用來(lái)獲得質(zhì)量。但是對(duì)于中微子來(lái)說(shuō),它的質(zhì)量太小了,你需要一些額外的理論來(lái)解釋它。

弄清楚中微子如何獲得質(zhì)量,或許可以解決其他相關(guān)的問(wèn)題,比如為什么宇宙中物質(zhì)比反物質(zhì)更多。關(guān)于質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)制有一些相互競(jìng)爭(zhēng)的理論,對(duì)三種質(zhì)量本征態(tài)的不同值進(jìn)行了預(yù)測(cè)。盡管中微子振蕩實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是這些質(zhì)量本征態(tài)之間的差異,但像KATRIN這樣的實(shí)驗(yàn)卻希望得到這三種狀態(tài)的平均值,結(jié)合這兩種測(cè)量方法可以揭示每種質(zhì)量本征態(tài)的值,從而支持中微子質(zhì)量的某些理論。

宇宙的問(wèn)題

中微子質(zhì)量也具有宇宙尺度的重要性。盡管中微子的質(zhì)量極小,但在大爆炸期間產(chǎn)生了如此多的中微子,它們的集體引力也會(huì)影響宇宙中所有物質(zhì)聚集成恒星和星系的方式。大約在大爆炸后的一秒鐘,中微子以近乎光速的速度四處逃逸,它們的速度如此之快,以至于逃脫了其他物質(zhì)的引力,但是之后,它們開(kāi)始變慢,這使得它們能夠控制原子、恒星和星系。中微子開(kāi)始減速的時(shí)間點(diǎn)取決于它們的質(zhì)量,較重的中微子會(huì)更快減速,并幫助宇宙變得更“笨重”。

通過(guò)測(cè)量宇宙的密度,宇宙學(xué)家可以推斷出中微子的質(zhì)量,但這種間接方法建立在假設(shè)宇宙模型是正確的基礎(chǔ)上,因此,如果該方法給出的答案與直接測(cè)量的中微子質(zhì)量不同,可能就意味著宇宙學(xué)理論是錯(cuò)誤的。

到目前為止,間接的宇宙學(xué)方法比像KATRIN這樣直接測(cè)量質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)更靈敏。最近來(lái)自普朗克衛(wèi)星的宇宙觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,三個(gè)中微子質(zhì)量本征態(tài)的總和不可能超過(guò)0.12eV,而在8月,另一項(xiàng)對(duì)宇宙觀(guān)測(cè)的分析發(fā)現(xiàn),最輕的中微子質(zhì)量必須小于0.086eV。這些都落在KATRIN實(shí)驗(yàn)的上限以下,因此兩種方法之間并沒(méi)有矛盾,隨著KATRIN實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)越來(lái)越多,兩種方法之間也可能會(huì)出現(xiàn)差異。

接下來(lái)是什么?

物理學(xué)家對(duì)KATRIN實(shí)驗(yàn)期待已久,該實(shí)驗(yàn)使用氫的重同位素氚來(lái)測(cè)量中微子的質(zhì)量。當(dāng)氚經(jīng)歷衰變時(shí),它的原子核會(huì)發(fā)出一個(gè)電子和一個(gè)電中微子,通過(guò)測(cè)量能量最大的電子的能量,物理學(xué)家就可以推斷出電子中微子的能量和質(zhì)量。

如果KATRIN實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的中微子質(zhì)量大約是0.2或0.3eV,則宇宙學(xué)家將很難協(xié)調(diào)他們的觀(guān)測(cè)結(jié)果。一種可能的解釋是,一些新的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致中微子質(zhì)量的宇宙學(xué)影響隨著時(shí)間的推移而減弱,例如,中微子可能衰變?yōu)楦p的未知粒子,其接近光速的速度使它們無(wú)法聚集成物質(zhì)。或者,在宇宙的歷史中,賦予中微子質(zhì)量的機(jī)制已經(jīng)改變了。

另一方面,如果中微子的質(zhì)量接近宇宙觀(guān)測(cè)所預(yù)測(cè)的值,那么KATRIN實(shí)驗(yàn)就沒(méi)有足夠的靈敏度來(lái)進(jìn)行測(cè)量。KATRIN只能將中微子質(zhì)量限定至0.2eV,如果中微子質(zhì)量小于0.2eV,物理學(xué)家就需要更靈敏的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定其質(zhì)量,并解決粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的問(wèn)題。目前,已經(jīng)有3個(gè)靈敏度可能更高的項(xiàng)目——project 8、“鈥的電子捕獲”(Electron Capture on Holmium)和HOLMES——已經(jīng)在用概念驗(yàn)證儀器來(lái)獲取數(shù)據(jù)。

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