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消失的中微子可能颠覆基础物理学

2021-07-22 14:34     来源:nature     中微子 原子核
世界各地正在加紧寻找能够解开一个巨大的反物质之谜的异国 "马约拉纳 "粒子。


加拿大萨德伯里的SNO+中微子实验室正在建设中,一个人挂在里面。
 

意大利物理学家埃托里-马约拉纳在1938年臭名昭著地消失了,没有留下任何痕迹。他最喜欢的基本粒子--中微子,可能也会有类似的消失行为。世界各地的一些新的或升级的实验正在竞相表明,一种通常产生两个中微子的极其罕见的核衰变可能偶尔会产生一个中微子。

与探测暗物质的努力相比,这些实验得到的资金或关注较少,但它们对整个物理学的影响可能同样重要。粒子消失的现象将表明,中微子和反中微子(它们的反物质对应物)是同一个东西--这是马约拉纳在1930年代首次提出的一种可能性。

这种 "马约拉纳中微子 "可能是理解为什么宇宙似乎只包含很少的反物质的关键(见 "如果中微子是马约拉纳粒子就能回答的问题")。此外,它们将证明,与所有其他已知的物质粒子(如电子或夸克)不同,中微子不会从希格斯玻色子那里获得其质量。

宾夕法尼亚州费城德雷塞尔大学的实验物理学家米歇尔-多林斯基说,物理学家寻找中微子的消失已经有几十年了,但现在搜索的速度急剧加快,这意味着他们 "有很大的机会 "用下一代设备探测到它。

日本、韩国、意大利、加拿大和美国现在在线或正在建造的实验比上一代的敏感度高一个数量级,而计划中的未来探测器将在此基础上再提高两个数量级(见 "世界各地的实验")。2015年,美国能源部的一个咨询委员会将这样一个项目确定为优先事项,并承诺资助一项探测马约拉纳中微子的实验--估计耗资约2.5亿美元--被认为是迫在眉睫。

漫长的等待

每当不稳定原子核中的一个质子衰变为一个中子,或反之亦然,就会产生中微子或反中微子。这个过程被称为β衰变,也会射出一个电子或其反粒子--统称为β-粒子。


一名男子站在LEGEND-200实验的水箱中。位于中心的低温恒温器使锗-76目标保持低温。

诺贝尔奖获得者物理学家Maria Goeppert-Mayer在1935年预测,某些原子核可以通过将其两个中子同时转换为质子(或相反)来进行衰变,从而发射出两个β粒子。这种 "双β衰变 "也应该产生两个中微子或反中微子。Goeppert-Mayer的计算被发现是正确的,但是这种类型的衰变极为罕见:其中一个案例,即碲-128嬗变为氙-128,是所有核反应中已知的最长的半衰期,超过1024年,或100万亿年。

在Goeppert-Mayer的论文发表四年后,物理学家Wendell Furry指出,如果马约拉纳是正确的,中微子是它们自己的反粒子,那么由双衰变核发出的两个中微子应该偶尔互相湮灭,所以核将只发出电子。

检验马约拉纳中微子存在的实验试图探测这种无中子的双β衰变。从概念上讲,这很简单:取一大块可能经历这一过程的材料,并尽可能长时间地观察它,看它是否发射出携带特定能量的两个电子。

但是,如果无中子放射性存在的话,它将是迄今为止已知的最慢的核衰变形式:至少比普通的双β衰变稀少两个数量级。迄今为止最好的结果--来自意大利中部大萨索地下国家实验室的锗探测器阵列(GERDA)--已经发现,该过程的一个候选者,锗-76,其半衰期必须超过1.8 × 1026年。这大约是宇宙年龄的10万亿倍。

当关于稀有放射性衰变的实验提高了功率,或者仅仅是积累了大量的数据,通常会发生两件事中的一件:要么他们最终观察到他们正在寻找的反应,要么他们提高了其半衰期必须有多长的门槛。因此,对半衰期设置限制的潜力给出了一个衡量实验灵敏度的标准。

目前正在启动或计划中的实验旨在比GERDA有效100倍左右--将半衰期限制提高到1028年或以上。

许多团队使用各种方法,正在竞相寻找中微子衰变的证据并证明马约拉纳粒子的存在:

提高灵敏度

提高灵敏度的一个常见策略是降低背景噪音,例如探测器内或周围的放射性杂质,这些杂质可能会产生虚假信号,看起来像带有马约拉纳-中微子特征的电子对。一些团队已经不遗余力地消除了这些。多林斯基说:"如果你捡起一点泥土,它可能是百万分之一的放射性;我们的材料通常是万亿分之一,"他是富集氙观测站(EXO-200)的发言人,这是最近在新墨西哥州卡尔斯巴德附近的地下废物隔离试验厂结束的马约拉纳-中微子实验。

大萨索的另一个实验--罕见事件低温地下观测站(CUORE,意大利语中的 "心脏")--将其探测器的核心保持在0.01开尔文的温度,以帮助它区分各种信号;它被描述为 "宇宙中最冷的立方米"。CUORE还使用4吨从沉船中找到的、放射性特别低的古罗马铅来屏蔽其碲靶。

在所有现有的实验中,GERDA在减少背景噪音方面是最成功的:在其十年左右的运行期间,它看到的模仿马约拉纳-中微子特征的事件基本为零。

至关重要的是,锗探测器被浸泡在一个大约85开的液氩罐中,发言人、意大利帕多瓦大学的物理学家Riccardo Brugnera说,这有三重作用。它能使锗保持低温;它能使锗免受外部辐射的影响;它还能充当检测器,剔除可能仍会射入核心的辐射信号。

GERDA在去年被拆除,因为它的团队与一个由美国领导的名为马约拉纳的合作项目联合起来,建造一个更大的探测器。LEGEND-200,它将有一个由200公斤锗-76制成的目标。现在正在大萨索建造,它将于11月开始采集数据。扩大目标的尺寸可以增加看到衰变的几率。"Brugnera说:"你还需要一个大质量,否则你将不得不等待几个世纪。

其他实验通过依靠目标的巨大尺寸达到与GERDA类似的敏感度。在日本和加拿大的地下实验室,物理学家们已经重新利用了最初为捕捉中微子而建造的大型探测器。日本的KamLAND-Zen 800有大约750公斤的氙-136,而加拿大的SNO+将有1300公斤的碲-130。这两个实验都能发现高能粒子在穿过装有数百吨矿物油的油箱时产生的光条纹。

争取资金

然而,另一种方法是由多林斯基的EXO-200开创的,它使用了200公斤的液体氙-136。氙既作为无中子衰变的候选同位素,又作为揭示电子的介质。类似的基于氙气的探测器被调整为捕捉来自太空的粒子,对暗物质进行了最广泛的搜索。

加利福尼亚州斯坦福大学的物理学家乔治-格拉塔(Giorgio Gratta)说,EXO-200的成本不到1500万美元,"是在雷达下建造的,无视许多官僚主义",他在21世纪初帮助构思了这个项目。格拉塔希望美国能源部的预期资金将用于名为nEXO的更雄心勃勃的版本,它将拥有5吨氙气,成本可能达到2.5亿美元。

在nEXO的竞争者中,有一个LEGEND-200团队,该团队提议将实验规模扩大到 "LEGEND-1000",配备1吨锗-76。

物理学家说,在比赛中拥有各种大型探测器是至关重要的。无中子衰变的第一个暗示将显示为数据中的一个小凸起,而其他实验将需要重复这些发现。"CUORE发言人、大萨索的物理学家Carlo Bucci说:"需要发生的第一件事是,你必须用不同的同位素来确认它。

尽管如此,并不能保证这些实验中的任何一项都能很快显示出中微子是马约拉纳粒子。领先的理论模型预测它们应该如此,但这些模型部分是基于对中微子质量的猜测。尽管如此,大多数物理学家认为这只是一个时间问题,而不是会不会。然后,至少与埃托里-马约拉纳有关的一个消失的行为将得到解决。

如果中微子是马约拉纳粒子,可以回答的问题

如果中微子同时是物质和反物质,它可能有助于回答基础物理学中的许多主要问题:

1. 所有的反物质都去哪儿了?如果中微子是马约拉纳粒子,它可能有助于解释为什么宇宙包含的物质远远多于反物质。大爆炸应该创造了相等数量的每一种。但是,物质在热的原始汤中亚原子粒子之间的反应中存活的机会肯定要稍好一些,从而导致当前的不平衡。最大的问题是为什么。普通的双β衰变产生两个电子和两个反中微子,所以它不会改变粒子和反粒子的平衡。但是无中微子双β衰变只会产生两个电子,从而导致宇宙粒子数量的净增加。

2. 中微子的质量从何而来——它们有多少?在1970年代制定的粒子物理学标准模型中,夸克和电子的质量来自希格斯玻色子,而中微子的质量为零。然后,在1990年代,物理学家发现中微子确实有质量——尽管具体有多少未知。如果中微子是马约拉纳粒子,它们的质量来自希格斯粒子以外的机制。此外,测量无中微子衰变的频率将间接测量反中微子(因此是中微子)的质量,因为粒子越大,它们相互湮灭的可能性就越大。

3. 为什么中微子总是以同样的方式旋转?与电子等粒子不同,中微子总是向一个方向旋转:它们的轴总是被观察到与它们的运动方向一致,它们的旋转总是“左旋”或逆时针旋转。反中微子只在右手自旋中被观察到。当物理学家制定标准模型时,他们嵌入了这种不对称性。但如果中微子是马约拉纳粒子,那意味着反中微子可能只是向相反方向旋转的中微子。

参考:

https://www.nature.com/articles/d41586-021-01955-3

中国核能高质量发展大会

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