幽灵般的中微子:我们越来越接近了解它的质量

幽灵般的中微子:我们越来越接近了解它的质量
2019年10月30日 08:57 新浪科技
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。图为卡尔斯鲁厄研究中心  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。图为卡尔斯鲁厄研究中心

  新浪科技讯 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。

  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。

  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(KATRIN)实验宣布了首批结果:中微子的质量不超过1.1电子伏特(eV),约为电子质量的15万分之一。

  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。

  为什么要研究中微子质量?

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

  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。

  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。

  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。

  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。

  尽管如此,与其他粒子的质量相比,中微子的质量还是太轻了,以至于物理学家都不确定中微子是如何获得如此小的质量的。标准模型中的其他粒子通过与希格斯场(一种充满所有空间并拖曳大量粒子的能量场)相互作用来获得质量。但是对于中微子来说,它的质量太小了,你需要一些额外的理论来解释它。

  弄清楚中微子如何获得质量,或许可以解决其他相关的问题,比如为什么宇宙中物质比反物质更多。关于质量产生的机制有一些相互竞争的理论,对三种质量本征态的不同值进行了预测。尽管中微子振荡实验测量的是这些质量本征态之间的差异,但像KATRIN这样的实验却希望得到这三种状态的平均值,结合这两种测量方法可以揭示每种质量本征态的值,从而支持中微子质量的某些理论。

  宇宙的问题

  中微子质量也具有宇宙尺度的重要性。尽管中微子的质量极小,但在大爆炸期间产生了如此多的中微子,它们的集体引力也会影响宇宙中所有物质聚集成恒星和星系的方式。大约在大爆炸后的一秒钟,中微子以近乎光速的速度四处逃逸,它们的速度如此之快,以至于逃脱了其他物质的引力,但是之后,它们开始变慢,这使得它们能够控制原子、恒星和星系。中微子开始减速的时间点取决于它们的质量,较重的中微子会更快减速,并帮助宇宙变得更“笨重”。

  通过测量宇宙的密度,宇宙学家可以推断出中微子的质量,但这种间接方法建立在假设宇宙模型是正确的基础上,因此,如果该方法给出的答案与直接测量的中微子质量不同,可能就意味着宇宙学理论是错误的。

  到目前为止,间接的宇宙学方法比像KATRIN这样直接测量质量的实验更灵敏。最近来自普朗克卫星的宇宙观测数据表明,三个中微子质量本征态的总和不可能超过0.12eV,而在8月,另一项对宇宙观测的分析发现,最轻的中微子质量必须小于0.086eV。这些都落在KATRIN实验的上限以下,因此两种方法之间并没有矛盾,随着KATRIN实验收集的数据越来越多,两种方法之间也可能会出现差异。

  接下来是什么?

  物理学家对KATRIN实验期待已久,该实验使用氢的重同位素氚来测量中微子的质量。当氚经历衰变时,它的原子核会发出一个电子和一个电中微子,通过测量能量最大的电子的能量,物理学家就可以推断出电子中微子的能量和质量。

  如果KATRIN实验发现的中微子质量大约是0.2或0.3eV,则宇宙学家将很难协调他们的观测结果。一种可能的解释是,一些新的现象会导致中微子质量的宇宙学影响随着时间的推移而减弱,例如,中微子可能衰变为更轻的未知粒子,其接近光速的速度使它们无法聚集成物质。或者,在宇宙的历史中,赋予中微子质量的机制已经改变了。

  另一方面,如果中微子的质量接近宇宙观测所预测的值,那么KATRIN实验就没有足够的灵敏度来进行测量。KATRIN只能将中微子质量限定至0.2eV,如果中微子质量小于0.2eV,物理学家就需要更灵敏的实验来确定其质量,并解决粒子物理学和宇宙学的问题。目前,已经有3个灵敏度可能更高的项目——project 8、“钬的电子捕获”(Electron Capture on Holmium)和HOLMES——已经在用概念验证仪器来获取数据。(任天)

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