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寻找中微子的最新进展预示着物理学的新篇章

2021-10-30 20:50     来源:cnBeta     中微子费米国家加速器实验室
据一直在寻找宇宙的一个重要组成部分的科学家称,物理学的一个新篇章已经开启。一项重要的实验被用来寻找一种难以捉摸的亚原子粒子:构成我们日常生活的物质的一个关键组成部分,这次搜索未能找到这种被称为为sterile neutrino的亚原子粒子,这现在将引导物理学家走向更有趣的理论,以帮助解释宇宙是如何形成的。

科学技术设施委员会(STFC)的执行主席马克-汤姆森(Mark Thomson)教授将这一结果描述为"相当激动人心",该委员会资助了英国对Microboone实验的贡献。这是因为相当一部分物理学家一直在以为sterile neutrino的存在是一种可能性为基础发展他们的理论。
 


Microboone实验的基地位于伊利诺伊州巴达维亚的美国费米国家加速器实验室(Fermilab)就在芝加哥城外。但是来自许多国家的物理学家都参与了这个项目。Microboone的电子架位于探测器的正上方,在一个平台上,可以阻挡可能影响结果准确性的大量宇宙辐射。

中微子是幽灵般的亚原子粒子,它们渗透在宇宙中,但几乎不与我们周围的日常世界发生互动。每一秒钟,都有数十亿个中微子穿过地球--以及生活在地球上的每个人。

中微子有三种已知的形态:electron, muon 以及 tau。1998年,日本研究人员发现,中微子在旅行过程中会从一种变成另一种。

目前的亚原子物理学"大理论"--即所谓的标准模型--无法完全解释这种转换。一些物理学家认为,找出中微子具有如此微小的质量的原因--这就是使它们能够改变形态的原因--将使他们更深入地了解宇宙是如何运作的,特别是宇宙是如何产生的。

目前的理论表明,在大爆炸之后不久,存在着等量的物质和其阴暗的镜像反物质。然而,当物质与反物质相撞时,它们会猛烈地相互湮灭,释放出能量。如果早期宇宙中的物质数量相等,它们应该相互抵消。相反,今天的宇宙大部分是由物质构成的,反物质的数量要少得多。

一些科学家认为,包含中微子转换在内的一些宇宙行为,使一些物质在大爆炸后得以存活,并创造了构成宇宙的行星、恒星和星系。

20世纪90年代,美国能源部新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的一项名为"液体闪烁器中微子探测器"的实验发现,产生的电子中微子比三中微子转换形态理论所能解释的要多。这一结果在2002年的一次单独实验中得到了证实。


物理学家们提出了第四种中微子的存在,称为sterile neutrino。他们认为这种形式的粒子可以解释电子中微子的过度生产,关键是可以深入了解为什么粒子会改变形态。

它们被命名为sterile neutrino,因为它们被预测为根本不会与物质发生相互作用,而其他中微子可以--尽管非常少。探测到不育中微子将是亚原子物理学中比希格斯玻色子更大的发现,因为与其他形式的中微子和希格斯粒子不同,它不是当前物理学标准模型的一部分。

一个由来自五个国家的近200名科学家组成的团队开发并建造了微型助推器中微子实验,或称Microboone,以便找到它。Microboone由150吨的硬件组成,其空间大小相当于一辆货车。它的探测器高度敏感:它对亚原子世界的观察被比喻为以超高清的方式观察。

该团队现在宣布,对该实验收集的数据进行的四次单独分析显示,"没有暗示"sterile neutrino的存在。但这一结果与其说是故事的结束,不如说是新篇章的开始。

费米实验室的萨姆-泽勒博士说,未探测到并不意味着与之前的发现相矛盾。

"先前的数据并没有说谎,但有一些非常有趣的事情发生,我们仍然需要解释。数据正在引导我们远离可能的解释,并指向更复杂、更有趣的东西,这真的很令人兴奋。"

曼彻斯特大学的贾斯汀-埃文斯教授认为,最新发现所带来的难题标志着中微子研究的一个转折点:"每次我们研究中微子,我们似乎都会发现一些新的或意想不到的东西。"Microboone实验室的结果把我们带入了一个新的方向,我们的中微子项目要去探寻其中一些谜团的真相。"
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