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中微子60年

2021-08-23 11:51     来源:中科院高能所     中微子费米国家加速器实验室布鲁克海文国家实验室
1930年,沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)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——或者可能根本没有质量,而且它几乎不与物质相互作用。

恩里科·费米(Enrico Fermi)后来将这种神秘的粒子命名为“中微子”(或“小中性粒子”)。

尽管中微子极其丰富,但科学家花了26年时间才确认了它们的存在。在中微子被发现后的60年里,我们慢慢地了解了这个有趣的粒子。

美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的中微子研究人员基思·里拉格(Keith Rielage)说:

“每一次,科学家们似乎都要花上10年或20年的时间,才能提出实验,并开始探测中微子的下一个特性。”

“一旦我们这样做了,我们常常会感到困扰,因为中微子的行为并不像我们预期的那样。所以中微子从一开始就是一种令人兴奋的粒子。”

我们现在知道中微子实际上有三种类型,或者说“味道(flavor)”:电子型、 子型和 子型。我们还知道,中微子在太空中穿行时,会在这三种类型之间发生变化或“振荡”。因为中微子会振荡,所以我们知道它们一定有质量。然而,关于中微子的许多问题仍然存在,寻找答案需要世界各地的科学家和实验的共同努力。

能量“丢失”之谜

泡利在试图解决 衰变的能量守恒问题时,想到了中微子。 衰变是一种使不稳定原子变得更稳定的方法。例如,通过将中子转化为质子,使其变得更加稳定。在这个过程中,一个电子被发射出来。

如果中子只转化成一个质子和一个电子,那么它们的能量总是确定的。然而实验表明,电子并不总是以一个特定的能量出现。相反,电子的能量呈现出了一定的范围。为了解释电子能量的不确定性,泡利假设了一个未知的中性粒子参与衰变。

美国能源部费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的中微子研究员珍妮弗·拉法(Jennifer Raaf)说:

"如果有另一个粒子参与了衰变,所有的三个粒子将并不总是以完全相同的方式共享能量", "所以有时候你可能得到一个高能量的电子,有时候则会得到一个低能量的电子"。

20世纪50年代初,洛斯阿拉莫斯的物理学家弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)和他的同事克莱德·考恩(Clyde Cowan)开始探测这种微小的、中性的、相互作用非常弱的粒子。

在当时,中微子被称为神秘“幽灵”粒子,它们就在我们周围,但大多数都是直接穿过物质,并在 衰变中带走能量。由于这个原因,莱因斯和考恩对中微子的探测被称为“鬼魅计划”。

里拉格说:

“这个名字听起来很合理,因为他们基本上是在试图捕捉幽灵。”

捕捉"幽灵"粒子

这一切都始于20世纪50年代初。在洛斯阿拉莫斯工作期间,莱因斯曾领导过几个在太平洋测试核武器的项目,并且他对基础物理问题也十分感兴趣,这些问题可以作为测试的一部分进行探索。

核爆炸能产生强烈的反中微子爆发,莱因斯认为可以设计一个实验来检测到其中一些,他说服了他在洛斯阿拉莫斯的同事考恩与他合作设计这样一个实验。

莱因斯和考恩的第一个想法是在大气核爆炸试验场旁边的竖井中放置一个大型液体闪烁探测器,但后来他们想出了一个更好的主意——把探测器放在受控的核反应堆旁边。

因此,在1953年,莱因斯和考恩带着他们300升大的探测器前往位于华盛顿汉福德的大型裂变反应堆,它的绰号是"Herr Auge"(德语意为“眼睛先生”)。

虽然莱因斯和考恩发现,当反应堆开启与关闭时相比,类中微子信号有小幅度增加,但噪声信号太强。他们不能断定这个小信号是由中微子引起的。虽然探测器的屏蔽层成功阻挡了反应堆的中子和伽马射线,但它无法阻止从太空中倾泻下来的宇宙线洪流。

在接下来的一年里,莱因斯和考恩重新设计了他们的探测器,将其堆叠成一个三层结构,这使他们能够清楚地区分中微子信号和宇宙射线背景。1955年底,他们带着新的10吨探测器再次上路——这一次是在南卡罗来纳州萨凡纳河基地的核裂变反应堆上。

在五个多月的时间里,莱因斯和考恩收集数据并分析结果。终于,在1956年6月,他们给泡利发了一封电报:"我们非常高兴地通知您,我们已经确切地探测到了中微子。"


1956年,Cowan和Reines在探测到反应堆中微子后给Pauli发的电报,以及Pauli的回信

解决下一个中微子谜团

20世纪60年代,一个与中微子有关的新谜团开始了——这次是在南达科他州的一个金矿里。

美国能源部布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的核化学家雷·戴维斯(Ray Davis)设计了一个实验用来探测太阳反应中产生的中微子,即太阳中微子。

它是一个位于霍姆斯塔克 (Homestake) 矿井地下一英里的大型氯探测器,地下的条件使其可以屏蔽宇宙射线的干扰。

1968年,戴维斯实验首次探测到太阳中微子,但结果令人困惑。天体物理学家约翰·巴考尔(John Bahcall)计算了来自太阳的中微子的预期通量,即在一定的时间、一定区域内应该探测到的中微子数量。

然而,该实验只检测到了预期数量的三分之一,这种差异被称为“太阳中微子问题”。

起初,科学家们认为戴维斯的实验或标准太阳模型有问题,但并没有找到任何异常。慢慢地,科学家开始怀疑这实际上是中微子本身的问题。

科学家们推断,中微子在太空中传播时可能会振荡,或者从一种类型转变为另一种类型。戴维斯的实验只对电子中微子敏感,所以如果中微子以三种类型的混合形式振荡并到达地球,这就可以解释为什么实验只探测到其中的三分之一。

1998年,日本的超级神冈(Super-Kamiokande)实验首次探测到大气中微子振荡。2001年,加拿大的萨德伯里中微子天文台(Sudbury Neutrino Observatory)宣布了太阳中微子振荡的第一个证据,接着在2002年跟进了决定性的证据。

30多年后,科学家们证实了中微子的振荡现象,从而彻底解决了太阳中微子问题。

“中微子振荡的事实很有趣,但关键的是它告诉我们中微子一定有质量”

加州大学伯克利分校的中微子研究人员加布里埃尔·奥雷比·甘(Gabriel Orebi Gann)说,同时他也是SNO实验的合作者。

“这是意义非凡的,因为在标准模型中没有预期中微子具有质量。”


日本超级神冈实验探测器内部数量惊人的光电倍增管

标准模型之外的奥秘

标准模型——描述基本粒子及其相互作用的理论模型——不包含中微子的质量产生机制。中微子振荡的发现给原本极其精确的亚原子世界画上了一道严重的裂缝。

在对中微子进行了60年的研究之后,仍有几个谜题可以为了解标准模型之外的物理学提供窗口,例如,

• 中微子是否是其自身的反粒子

• 中微子的质量顺序如何

• 中微子的绝对质量是多少

• 是否存在第四种类型的中微子

• 中微子是否破坏电荷宇称(CP)对称性

......

附录:中微子大事记


1930年,沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)假设中微子的存在来解释 衰变中的能量守恒问题。


1934年,恩里科·费米(Enrico Fermi)提出了一个包含泡利假设粒子的理论,他称之为“中微子”(意大利语中“小中性粒子”的意思)。


1956年,由物理学家弗雷德里克· 莱因斯(Frederick Reines)和克莱德·考恩(Clyde Cowan)领导的一个科学家小组,通过探测萨凡纳河核电站核反应堆产生的电子反中微子,观察到了中微子存在的第一个证据。


1957年,布鲁诺·庞蒂科夫(Bruno Pontecorvo)假设中微子可以振荡,即从一种类型转变为另一种类型。


1958年,布鲁克海文国家实验室的科学家们确定中微子总是具有左手螺旋性(即它们的自旋方向与运动方向相反)。


1962年,由利昂·莱德曼(Leon Lederman), 梅尔·施瓦茨(Mel Schwartz)和杰克·斯坦伯格(Jack Steinberger)领导的一个科学家小组在布鲁克海文国家实验室的一个实验中发现了第二种中微子的存在,即 子中微子。


1968年,化学家雷·戴维斯 (Ray Davis) 是第一个探测到太阳产生的电子中微子的人。然而,他在霍姆斯塔克 (Homestake) 矿井的实验只能探测到预测数量的三分之一的太阳中微子,从而导致"太阳中微子问题"。


1973年,欧洲核子研究中心(CERN)加尔加梅勒(Gargamelle)合作项目的科学家们首次观测到中微子-电子的中性流散射过程,这表明存在一种新的相互作用载体,后来发现它就是 玻色子。


1975年, 子中微子的存在是在SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory) 的马丁·佩尔(Martin Perl)和他的同事首次探测到τ轻子之后提出的。


1985年,日本的神冈(Kamiokande)合作组和美国的IMB合作组探测大气中微子,这种中微子是宇宙射线与大气中的粒子相互作用时产生的。然而,实验检测到的 子中微子与电子中微子的比例比预期的要小,导致了“大气中微子反常”。


1987年,神冈和IMB合作组首次探测到超新星1987A爆炸产生的中微子。


1988年,利昂·莱德曼、梅尔·施瓦茨和杰克·斯坦伯格因发现 子中微子而被授予诺贝尔物理学奖。


1989年,欧洲核子研究中心和SLAC国家加速器实验室的科学家宣布,有证据表明,轻中微子只能有三种类型 (电子、 子和 子型)。


1995年,弗雷德里克·莱因斯因发现电子中微子而获得诺贝尔物理学奖。


1998年,日本的超级神冈(Super-Kamiokande)合作组公布了中微子振荡的第一个证据,这意味着中微子有质量。这个实验显示了大气中的 子中微子从它们的源传播到地下探测器时的消失现象。


2000年,在费米国家加速器实验室进行DONUT实验的科学家们首次观测到了第三种类型的中微子,即 子中微子。


2001年,加拿大的斯诺(SNO)合作组宣布了太阳中微子振荡的第一个证据。


2002年,斯诺合作组合作宣布了太阳中微子振荡的确凿证据。


2002年,雷·戴维斯(Ray Davis)和小柴昌俊 (Masatoshi Koshiba) 因首次发现宇宙中微子而获得诺贝尔物理学奖。


2004年,日本的KamLAND合作组在记录核反应堆产生的反中微子时,公布了电子反中微子再现的证据,这是反中微子振荡的迹象。


2005年,KamLAND合作组宣布首次探测到地球中微子,即地球内部产生的中微子。


2010年,意大利格兰萨索国家实验室 (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) 的OPERA合作组首次在 子中微子束流中探测到 子中微子。 子中微子在从欧洲核子研究中心到格兰萨索的路径上振荡。


2015年,超级神冈实验的梶田隆章(Takaaki Kajita)和SNO实验的亚瑟·麦克唐纳(Arthur McDonald)因他们在探测中微子振荡方面的贡献而被授予诺贝尔物理学奖。

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