幽灵般的中微子:我们越来越接近了解它的质量

2020-02-10 01:58 来源:未知

科学家为宇宙最难以捉摸的粒子称重 卡尔斯鲁厄氚中微子试验将于明年开始收集数据

北京时间10月30日消息,据国外媒体报道,在宇宙中所有的已知粒子中,只有光子的数量超过中微子,然而,尽管中微子数量众多,但由于它们与物质的相互作用非常微弱,因此很难捕捉并进行检测,每秒钟大约有1000万亿个幽灵般的中微子穿过你的身体,但它们甚至都不会与一个原子发生接触。

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中微子是目前已知的唯一质量未知的粒子,测量其质量将有助于发现超越标准模型的新物理定律。

KATRIN光谱仪内的真空室。图片来源:MICHAEL ZACHER

中微子无处不在,但我们甚至不知道它们的重量,这真的有点疯狂。

银色的真空室看上去像一艘齐柏林飞艇。不锈钢面板之间的焊接线依稀带有装饰派艺术风格,看上去曾经充满未来感,如今却已过时。虽然只有“兴登堡号”飞船的1/10,但仍和一头蓝鲸的大小相仿——这艘飞船耸立在德国卡尔斯鲁厄理工学院一座像飞机库一样的建筑物内,并且看上去似乎作好了飘走的准备。尽管这个真空室附着在地面上,但它拥有一个“飘渺”的目的:为最难以捉摸和最神秘的亚原子粒子——中微子称重。

长期以来,物理学家们一直试图称量中微子的质量。今年9月,经过18年的筹划、建造和校准,位于德国西南部的卡尔斯鲁厄氚中微子实验宣布了首批结果:中微子的质量不超过1.1电子伏特,约为电子质量的15万分之一。

2001年,物理学家设计了卡尔斯鲁厄氚中微子实验。如今,这个耗资6000万欧元的项目的各部分最终正集合到一起。研究人员计划在明年早些时候开始收集数据。“这是最后的倒计时。”约140名致力于该项目的研究人员的共同发言人、KIT物理学家Guido Drexlin 表示。

这个初步估计值仅来自一个月的数据,但与之前使用类似技术的测量结果相比,已经有所改进。此前的研究中,研究人员将中微子质量的上限设定为2ev。随着数据的积累,KATRIN的目标是确定实际的中微子质量,而不是仅给出一个上限。

考虑到宇宙含有的中微子比任何其他物质粒子都要多,物理学家不知道中微子有多重似乎是一件很荒谬的事情。每一立方厘米空间平均约有350个宇宙大爆炸残留的原始中微子。同时,太阳每秒钟产生上万亿个穿过人体的高能中微子。然而,没有人注意到它,因为这种粒子同物质的相互作用非常微弱。仅看到少数几个中微子,便需要重达很多吨的探测器。目前尚未有简单的方法来测量中微子的重量。

必威体育官网,为什么要研究中微子质量?

1914年,英国物理学家James Chadwick研究了β衰变。这是一种放射性衰变形式,其中原子核会释放电子,从而将中子变成质子。能量守恒定律表明,来自特定原子核,即铅-214的电子应当始终以相同的能量出现。然而,Chadwick发现,它们以相当大的能量范围出现。有些电子的能量甚至延伸到零,仿佛正在消失。

2006年,卡特琳实验的主光谱仪被运送到德国卡尔斯鲁厄研究中心

这一观察结果引发了物理学上的一场小危机。伟大的丹麦物理学家尼尔斯:玻尔甚至提出,能量可能不会在原子尺度上得以保存。不过,1930年,“淘气”的奥地利理论学家Wolfgang Pauli通过更加简单的方式解决了这个问题。他推断,在β衰变中,第二种看不见的粒子伴随着电子出现,并且随机带着一部分能量“潜逃”。这种粒子肯定很轻——小于质子质量的1%,而且不带电荷,因此未能被探测器发现。

质量是基本粒子最基本、最重要的性质之一。中微子是目前已知的唯一质量未知的粒子,测量其质量将有助于发现超越标准模型的新物理定律。在粒子物理学中,标准模型是描述宇宙中已知粒子和力之间如何相互作用的理论,尽管到目前为止,强力、弱力和电磁力的实验结果都合乎标准模型的预测,但该模型并不完整。测定中微子的质量也可以用来检验宇宙学家关于宇宙如何演化的理论,根据最后得到的中微子质量结果,我们可能会迎来宇宙学中非常激动人心的时刻。

3年后,意大利物理学家Enrico Fermi将这种假设的粒子称为中微子。在发展更加完善的β衰变理论的过程中,Fermi意识到,电子的能量可为研究中微子的关键属性——质量提供线索。如果中微子是没有质量的,电子能谱应当扩展至和它单独出现时拥有的相同的能量。如果中微子是有质量的,能谱应该缺少同其质量相当的部分。为测量中微子的质量,物理学家只需要精确地描述出电子能谱在β衰变中的上限。

直到大约20年前,科学家还认为中微子是没有质量的。1930年,科学家在理论上预测了中微子的存在,并在1956年观测到了这种粒子。

不过,这种测量方法要求极高的精度。数十年来,物理学家一直试图利用氚——进行β衰变的最简单的原子核——实现上述测量。1949年,首项研究表明,中微子的质量小于500电子伏特,即电子质量的1/1000。KATRIN成员、美国华盛顿大学物理学家Hamish Robertson介绍说,自此以后,一系列实验每隔8年便会将电子能谱的上限减半。“中微子质量有点遵循摩尔定律。”Robertson表示。如今,这一上限达到2eV左右——最轻的原子质量的二十亿分之一。1999年,在德国美因茨和俄罗斯特罗伊茨克分别独立开展的试验均报告了这一结果。

2015年获得诺贝尔物理学奖的一项发现改变了这种情况。物理学家发现,中微子可以从一种状态转变为另一种状态,在三种“味”之间振荡:电中微子、μ中微子和τ中微子。只有当中微子也具有三种可能的质量本征态时,这些振荡才会发生;对于每一种味态,都可由几种质量本征态混合形成,因此要求中微子质量非零。质量本征态在空间中以不同的方式传播,所以当中微子从A点到达B点时,这种混合的概率就会改变,从而使探测器可以测量不同的味态。

2001年,科学家在位于德国黑森林地区巴德利本策尔乡下一座高山上的城堡中聚集,并且决定通过开展氚β衰变实验,进一步推进中微子质量的测量工作。“这是KATRIN的起始点。”Drexlin表示。KATRIN试验希望将质量上限降低10倍,即达到0.2eV,或者更低,从而获得中微子质量的真实结果。

根据最近的中微子振荡数据(揭示了质量本征态之间的差异,而不是它们的实际值),如果最轻的质量态为零,那么最重的质量态必须至少为0.0495eV。

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