热点关注:  
放射性同位素 粒子加速器 辐照杀菌 无损检测 高新核材 辐射成像 放射诊疗 辐射育种 食品辐照保鲜 废水辐照 X射线 中广核技 中国同辐

一个中微子有多重? 这个问题比看起来更复杂

2021-08-13 09:00          中微子
六十年前,人类首次发现了一种基本粒子:中微子。多年来,科学家们已经了解了一些关于这类粒子令人惊讶的事情。但他们还没有回答一个看似基本的问题:中微子有多重?而这个答案可能是我们理解奇怪粒子与宇宙本质的关键。想了解为什么弄清楚中微子的质量如此困难,首先必须知道描述中微子的方法不止一种。

中微子有三种“味道”:电子型、缪子型和陶子型。当一个中微子撞击中微子探测器时,会产生一个电子,或者缪子,或者陶子。当你捕捉到一个伴随着电子的中微子时,你就可以称它为电子中微子,依此类推。知道了这一点,您可能会认为存在三种类型的中微子:电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。但这并不完全正确。那是因为每种中微子实际上是这三种类型中微子量子态的叠加。取决于中微子的能量以及你在它飞行过程中的何处捕获它,它有不同的可能性表现为电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。

有了这个更深入的理解后,你可能会认为,当一切都说完后,实际上只有一种类型的中微子。但这更不正确。毕竟,科学家们可以数出三种类型的中微子,每种都有不同的质量,是这三种中微子味道的不同混合物。这些中微子类型被称为三种中微子质量态。


Sandbox Studio与Corinne Mucha的作品

Vol.1

一个质量相关的问题

我们知道这三种中微子的质量都很小。第一种中微子质量态的味道混合物中以电子中微子为主。第二种更像是电子、缪子和陶子三种中微子的均匀混合。第三种主要是缪子和陶子中微子的混合。

我们知道前两种类型中微子的质量很接近,而第三种不同。我们不能确定第三种中微子比另两种更轻还是更重。第三种中微子是最重还是最轻问题被称为中微子质量等级(或中微子质量顺序)问题。


Sandbox Studio与Corinne Mucha的作品

Vol.2

像 1,2,3 一样简单——还是 3,1,2?

有些统一粒子物理学标准模型中不同力的模型预测,中微子质量顺序将遵循模式 1、2、3——他们称之为正常等级。其他一些模型预测质量顺序将遵循模式 3、1、2——一个倒置的等级结构。了解等级是正常的还是倒置的可以帮助理论家回答其他问题。例如,四种力——强、弱、电磁和万有引力——支配着最小的物质组成部分的相互作用。一些理论家认为,在早期的宇宙中,这四种力统一为一种力。大多数关于力的统一理论都预测了正常的中微子质量等级。

目前,科学家们研究中微子质量等级的最佳工具是长基线中微子实验,最著名的是一个称为 NOvA 的实验。


Sandbox Studio与Corinne Mucha的作品

Vol.3

电子拖曳

NOvA 探测器位于加拿大边境附近的明尼苏达州,研究源自伊利诺伊州费米国家加速器实验室的中微子束流。中微子很少与其他物质相互作用。这意味着它们可以在地下直接穿过500英里,从源头到达探测器。事实上这很重要,因为当它们旅行时,它们会经过成万亿的电子。这会影响电子味中微子——而且仅仅影响电子味中微子——使它们看起来更重。由于第一种和第二种质量态比第三种含有更多的电子味道,因此当它们穿过地球时,这两种质量状态的中微子会经历最强的电子相互作用。这种相互作用对中微子和反中微子有不同的影响——这种影响取决于质量等级。如果是正质量等级,缪子中微子将更有可能变成电子中微子,而缪子反中微子变成电子反中微子的可能性更小。如果是倒质量等级,则会发生相反的情况。

因此,如果 NOvA 的科学家发现,在穿越数百英里的岩石和泥土后,比预期更多的缪子中微子和更少的缪子反中微子改变了味道,就表明质量等级是正的。如果他们看到更少的缪子中微子和更多的缪子反中微子,就是质量等级倒置的迹象。

这种变化是微小的,需要数年的数据收集才能得到答案的首个线索。另一个较短的长基线中微子实验 T2K也正在进行相关测量。中国正在建设的江门中微子实验(JUNO)旨在以另一种方法测量中微子质量等级。也许要等到下一代长基线实验,即美国的沙丘实验(DUNE) 和日本的顶级神冈实验(Hyper-Kamiokande),我们才能做出确定性的测量。


Sandbox Studio与Corinne Mucha的作品

中微子是宇宙中数量最多的粒子之一。随着我们慢慢揭开它们的秘密,它们将为我们提供更多有关宇宙如何运作的线索。



推荐阅读

原子核和轻子:计算截面的里程碑

图 1. q = 300MeV/c 时4 He 的纵向响应函数。HH 结果取自参考文献。[44],GFMC 结果来自参考文献。[43],以及来自参考文献的实验数据。[45]。图片来源:DOI:10.1103/PhysRevLett.127.072501美因茨约翰内斯古腾堡大学 PRISMA+ 卓越集群中的一个团队成功计算了钙元素的原子核在与电子碰撞时的行为。结果与可用的实验数据非常吻合。第一次,基于基本理论的计算能够正确描述像钙一样重的原子核的实验。特别相关的是这种计算在未来解释中微子实验... 2021-08-11

钻探中微子

中微子是迷人的粒子。数以万亿计的它们每秒钟都从你身边经过,无影无踪。它们几乎由一切产生:地球、太阳、超新星、香蕉和人类,仅举几例。这些奇异的建筑组件可能是理解为什么宇宙中存在物质而不是反物质,或者什么都不存在的关键。 2021-08-07

中微子在超新星爆炸中的作用的确凿证据

图 1:仙后座 A 超新星残骸具有富含铁的羽状物,其中含有钛和铬(右侧带有黄色粗轮廓的区域)。这一观察结果为中微子帮助驱动超新星爆炸的模型提供了支持。© 021 NASA/CXC/RIKEN/T。佐藤等人;NuSTAR:NASA/NuSTAR1980 年代首次提出的超新星爆炸模型得到了 RIKEN 天体物理学家对此类爆炸残余物产生的富钛羽流的观察的有力支持。一些超新星爆炸是恒星的死亡阵痛,这些恒星的质量至少是太阳的八倍。它们是宇宙中最具灾难性的事件之一,在几秒... 2021-07-28

核电站内捕捉幽灵粒子

曹俊的报告题目为“核电站内捕捉幽灵粒子”,主要是介绍大亚湾反应堆中微子实验,以及我们现在正在进行的江门中微子实验。 2021-07-24

阅读排行榜