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

寻找无菌中微子

2021-08-19 10:37     来源:symmetry     中微子核物理


早在中微子被提出来的时候,科学家们就不确定他们是否会探测到中微子;现在他们正在寻找一种可能更加难以捉摸的粒子版本。

1930 年在德国,一群科学家召开了一次核物理会议,他们邀请了沃尔夫冈·泡利 (Wolfgang Pauli)。这位奥地利物理学家被称为保利不相容原理的创始人,这项工作促进了科学家对物质的理解,最终使保利获得了诺贝尔物理学奖。

泡利不能参加德国会议;他在苏黎世发生了冲突。相反,他给与会者发了一封信,后来证明这是物理学史上最重要的通信之一。在其中,他预测了最终被称为中微子的存在。

此后,科学家们发现并研究了理论粒子的特性。但仍然存在很大的问题,包括一种未被发现的中微子是否可能隐藏在研究人员的探测器中。


芝加哥 Sandbox Studio 与 Corinne Mucha 的插图

无法检测的粒子

在给与会者的信中,泡利详细介绍了他对β衰变的想法,这个过程一直困扰着核物理学家。

在β衰变中,不稳定的原子以粒子(称为β粒子)的形式释放能量。研究β衰变的科学家发现,β粒子的能量不足以解释衰变原子损失的总能量。

泡利对缺失的能量可能在哪里有一个想法。他假设一个经历 β 衰变的原子实际上发射了不止一个粒子。只是第二个粒子既没有电荷也没有质量,因此无法被当时的技术检测到。

不过,这就是问题所在。如果粒子无法被探测到,就没有办法检验泡利的理论是否正确。泡利感叹,提出一个不可检测的粒子的存在是“任何理论家都不应该做的事情”,并保持这封信的非正式,而不是写一篇关于他太不舒服而无法完全声明的想法的官方论文。

但是携带能量的“幽灵粒子”的想法引起了包括恩里科·费米在内的许多研究人员的共鸣。几年后,费米想出了一个包含新粒子的核β衰变的完整理论,他将其命名为“中微子”。费米推测,中微子通过一种未知的力相互作用,现在称为弱力,它只在极短的距离内相互作用。

并非所有科学家都像泡利一样对检测中微子持悲观态度。物理学家沃尔特·巴德甚至与泡利打赌,他的不可发现的粒子总有一天会被发现。

1950 年代,美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家 Clyde Cowan 和 Fred Reines 设计了一种探测器来捕捉中微子。它将检测通过弱力并偶尔通过弱力相互作用的粒子。为了确保他们能获得一些,他们计划在他们可能产生的最极端的不稳定原子集合附近设置他们的设备:核爆炸。

除了研究核爆炸所面临的技术挑战外,事实证明,核弹还会产生大量背景辐射,这使得从中微子中分离出信号变得困难。所以考恩和雷因斯改变了他们的计划。相反,他们在南卡罗来纳州的一个核反应堆旁边设置了探测器。

虽然反应堆产生中微子的速度比炸弹慢得多,但探测器最终接收到足够的信号来确认中微子的存在。泡利给巴德买了一箱香槟来庆祝这一发现。

不仅仅是眼睛看到的

科学家们已经探测到了无法探测到的粒子。但是关于它还有很多东西需要学习。

在 1960 年代,天体物理学家 Raymond Davis 和 John Bahcall 通过安装在南达科他州 Homestake 金矿的实验测量了来自太阳的中微子。他们检测到的粒子数量只有他们预期的三分之一。

在 90 年代,加拿大萨德伯里中微子天文台和日本的 Super-K 实验的研究人员确定了中微子丢失的原因。中微子可以“振荡”,或在三种不同类型或“味道”之间转换:电子中微子、μ 子中微子和 tau 中微子。振荡意味着质量,所以这一发现也让他们知道中微子并不像他们想象的那样没有质量。

科学家们已经研究出关于中微子应该如何振荡的理论,但这些理论在洛斯阿拉莫斯的一项名为液体闪烁体中微子探测器的实验中得到了检验。

LSND 研究了一束中微子——特别是介子反中微子——以了解其中有多少在短距离内振荡成不同类型。其结果表明,其中有比预期更多的转化为电子反中微子。

科学家想知道:这种增加的振荡次数是否表明存在更难以捉摸的幽灵粒子的影响?一个甚至没有通过弱力相互作用的?是时候再赌一箱香槟了吗?

2002 年,以恩里科·费米命名的费米国家加速器实验室进行了类似的实验。MiniBooNE 实验在不同的能量水平上运行,并使用了与 LSND 不同的实验方法;它也记录了过量的电子中微子。

如果中微子以奇怪的方式振荡——比如,以三种以上的形式振荡,结果可能是可以解释的。因为它与物质的相互作用甚至更弱,科学家们将假设中缺失的中微子味道称为“无菌”中微子。

哈佛物理学家 Carlos Argüelles-Delgado 说,不一定只有一种类型的惰性中微子。例如,在物理学的标准模型中,许多粒子和现象以三个为一组;也许无菌中微子也可以。


芝加哥 Sandbox Studio 与 Corinne Mucha 的插图

矛盾的反常现象

Argüelles-Delgado 致力于 IceCube 实验。由威斯康星大学运营并位于南极洲的 IceCube 研究从太阳或其他天文现象(如超新星)发出的中微子。

尽管惰性中微子不是它的重点,但 IceCube 是为当前搜索提供输入的几个实验之一。Argüelles-Delgado 说,到目前为止,IceCube 基本上只是收紧了对惰性中微子的限制。

“IceCube 没有发现任何与 MiniBooNE 兼容的振荡的确凿证据,”他说。“而且我们还没有找到关于惰性中微子的确凿证据。然而,我们发现了惰性中微子的迹象……我们发现了一些指向正确方向的线索。”

另一个为搜索提供有价值信息的实验是 MINOS,它从 2005 年到 2012 年研究了费米实验室产生的一束中微子,在明尼苏达州的一个矿山中对靠近光束起源和远离光束起源的粒子进行采样。实验没有发现任何可能表明存在惰性中微子的东西。

由于 LSND 和 MiniBooNE 看到的结果与 IceCube 和 MINOS 不同,费米实验室粒子物理学家 Pedro Machado 表示,几乎不可能找到关于惰性中微子的有凝聚力的证据。

有助于对话的还有一组可以追溯到首次检测到中微子的实验:反应堆实验,例如中国的大亚湾、法国的 Double Chooz 和韩国的 RENO。

迄今为止,他们还没有找到任何可靠的证据来支持 MiniBooNE 或 LSND,弗吉尼亚理工大学的物理学家 Patrick Huber 说。但他们自己也卷入了理论与实验之间的冲突。2011 年,一组理论家重新计算了反应堆实验应该看到的电子反中微子的预期数量。他们发现他们的预测与实验测量不符。

自从发现可能的异常以来,大亚湾的研究人员以及理论家和其他实验家一直在继续研究他们的模型并研究产生这些反中微子的衰变过程。

即将进行的实验

所有这些不同的实验都为惰性中微子问题提供了输入,但它们从不同的角度提供了它——使用不同的方法和检查中微子的不同来源。在不久的将来,科学家们可能会从试图与惰性中微子辩论的原始发起者的观点相匹配的实验中得到答案。

在日本质子加速器研究中心,一项名为 JSNS^2 的实验计划检查 LSND 的观测结果。JSNS^2 的 J-PARC 研究员 Takasumi Maruyama 说:“我们的目标是通过与 LSND 相同的实验来确认或击败惰性中微子的存在。” “有很多实验,但我们必须了解相同的中微子源和相同的中微子相互作用发生了什么。

“所以在 LSND 结果出来 20 年后,我认为现在是跟进 LSND 实验的好时机。”

在费米实验室,一项名为 MicroBooNE 的实验旨在更详细地重现 MiniBooNE 的测量结果。研究人员预计今年晚些时候会有初步结果。

MicroBooNE 也是一项更大的实验的一部分,该实验涉及一系列三个探测器,称为费米实验室的短基线中微子计划。这三个探测器将通过检查距中微子束源三个不同距离处的振荡来绘制中微子行为的详细图片。距离震源最远的 ICARUS 探测器将于今年秋季开始收集物理数据。距离源最近的短基线中微子探测器的建造正在进行中。

Huber 说他认为惰性中微子将保持隐藏状态,可能直到可以设计和建造更精确的未来探测器。可能它们永远不会被发现,要么是因为它们不存在,要么是因为泡利预测的粒子毕竟有不可检测的一面。

Argüelles-Delgado 说,无论即将进行的实验是否能够找到惰性中微子,科学都将从搜索中受益。

“在粒子物理学中,当有提示时,你必须追求这些提示,”他说,“因为有些提示最终会成为挑战,而这些提示只会让你改进你的探测器技术和技巧——而其他提示会做到这一点,也让你会发现新的物理学。所以你总是赢。”


推荐阅读

中微子60年

1930年,沃尔夫冈·泡利提出了一种新的不带电荷的微小粒子的存在。这种粒子被假设为非常轻,或可能根本没有质量,且它几乎不与物质相互作用。恩里科·费米后来将这种神秘的粒子命名为“中微子”。 2021-08-23

北京正负电子对撞机 见证新中国的艰辛成长历程

北京正负电子对撞机是中国第一台高能加速器。它的成功建造,反映了从一个贫弱的旧中国到新中国、从一个奋发向上的大国到世界强国的艰辛历程。 2021-08-23

孟杰课题组与合作者预言由六个粲夸克组成的双重子系统在强相互作用下存在束缚态

物质结构及其属性是基本的科学问题。原子核作为由质子和中子组成的有限量子多体系统,是物质结构的一个基本层次。 2021-08-20

欧洲核子研究中心将提供第二台DUNE低温恒温器

中微子是棘手的野兽。在已知的基本粒子中,它们独自承受着身份危机--如果有可能把它们放在一个秤上,你会不可预测地测量出三种可能的质量之一。因此,三种中微子的 "味 "在它们穿越空间和物质的过程中相互融合,为宇宙学中开放的问题提供了物质-反物质不对称的可能性。 2021-08-19

钞票上的物理学史——原子论的提出

原子是指不可再分的意思,在现代科学中指的是在化学反应中不可再分的粒子。严复将“莫能破”与西方的“原子”对应,简化为一个名词“莫破”。原子的概念诞生于古希腊对于世界本源的哲学思考。 2021-08-19

阅读排行榜