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寻找第四种中微子

2021-11-02 09:01     来源:原理     中微子费米国家加速器实验室

 
一.

中微子是一种很轻的、难以捉摸的亚原子粒子。1930年,沃尔夫冈·泡利提出存在中微子的假设,以此来解释某些放射性原子在衰变过程中的能量消失。这是一类几乎不与普通物质相互作用的基本粒子,因此探测难度极大。直到1956年,物理学家才通过实验证实了中微子的存在。
 

标准模型描述基本粒子和它们之间的相互作用。| 图片来源:原原

现在,中微子是粒子物理学标准模型不可或缺的一部分,它们无处不在,同时又神秘无比。中微子有三种类型,或者三种“味”,即电子中微子、μ子中微子和τ子中微子,它们会通过四种基本力中的弱力和引力与物质相互作用。

当中微子在空间中传播时,会发生相当有趣的事情,它们会从从一种味转化成另一种味,这种过程被称为“中微子振荡”。


1993年,洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁中微子探测器实验发现了令人困惑的中微子探测结果。| 图片来源:Los Alamos National Laboratory

测量中微子振荡的实验通常着眼于查看在特定情况下,某种特定类型的中微子会出现多少,或消失多少。上世纪90年代初,在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的地下深处运行的液体闪烁中微子探测器(LSND)实验中,科学家看到了比预期更多的电子中微子。

二.

对于这种异常现象,大多数解释都提出可能存在第四种类型的中微子,即所谓的“惰性中微子”。物理学家认为,这种假想的中微子会根据新的规则,混合所有的中微子类型。自那之后,世界各地的许多实验都试图寻找惰性中微子的踪迹。物理学家相信,这种假想粒子能够为解开许多重大的宇宙之谜提供线索。

MiniBooNE实验的结果暗示了可能存在一种轻惰性中微子。| 图片来源:Fred Ullrich / Fermilab

2018年,美国费米国家实验室(Fermilab)的MiniBooNE实验终于探测到了与LSND实验大体上相一致的结果。在LSND和MiniBooNE实验中,研究人员在相对较短的距离(30米到500米之间)发射一束µ子中微子,然后测量在另一端探测到的电子中微子的数量。

物理学家知道,在这样的距离内,µ子中微子不能直接振荡成电子中微子。但如果一些µ子中微子变成非常轻的惰性中微子,再变成电子中微子,就能够解释实验中观测到的这些额外的电子中微子了。这就是惰性中微子假说。

那么,惰性中微子真的存在吗?其实,如果实验真的能够证实这样一种轻的惰性中微子的存在,那将会是非常重大的突破,它意味着很有可能宇宙中也存在其他更重的惰性中微子,这些更重的中微子可以解答粒子物理学中的几个主要难题,比如可能构成了宇宙大部分的物质的暗物质的性质,为什么中微子有质量,为什么宇宙中包含的物质比反物质多得多……

然而与此同时,轻惰性中微子假说又让宇宙学家感到“头疼”。因为如果它们真的存在,那么我们应该能够观测到在大爆炸后形成的惰性中微子的痕迹。可是从最近对宇宙微波背景辐射的研究中,或从星系的分布以及在星系之间的轻元素的研究来看,并没有任何迹象表明存在这样的惰性中微子。

如果惰性中微子存在,它们应该会在宇宙微波背景中留下痕迹。| 图片来源:ESA / Planck Collaboration

这可能意味着,关于惰性中微子的假说是错误的;又或者,我们对宇宙的理解中存在错误。

三.

现在,一项新的研究结果为许多期待发现惰性中微子的科学家带来了令人失望的消息。在Fermilab展开的一项名为MicroBooNE的新实验中,研究人员发现:新的结果与粒子物理学的标准模型一致,即只存在三种中微子,不多也不少,并没有惰性中微子存在的迹象。

MicroBooNE实验是专门为了追踪中微子的这种异常现象而设计的,它是一个重达170吨的中微子探测器,自2015年以来便一直在运行。实验涉及到多种不同的相互作用类型,进行实验的研究人员采用的是非常尖端的技术来记录中微子事件的精确3D图像。

MicroBooNE先进的液体氩技术使研究人员能够捕捉粒子轨迹的详细图像。这个电子中微子事件显示了一个电子簇射和一个质子轨道。| 图片来源:MicroBooMicroBooNE Collaboration

他们采用了多种不同的方法对数据进行了分析,得出了具有非常高的置信度的结果,但所有的这些结果都表明,没有发现额外的电子中微子的迹象。这对于进行了LSND实验和MiniBooNE实验的研究人员,以及惰性中微子假说的支持者来说,是很令人失望的。

这样的结果使许多物理学家开始思考这样一个问题:究竟是什么导致了早期实验所观察到的异常结果?有物理学家指出,到目前为止,得出了最新结果的MicroBooNE合作团队只分析了已收集到的数据的一半,因此他们认为在此时最好对新的结论持保留态度。待到物理学家对MicroBooNE的数据展开进一步分析之后,或许将能得到更多有助于解开这个谜团的信息。

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