幽靈般的中微子:我們越來越接近了解它的質量
發布時間:2019.11.11        閱讀次數:

北京時間10月30日消息,據國外媒體報道,在宇宙中所有的已知粒子中,只有光子的數量超過中微子,然而,盡管中微子數量眾多,但由于它們與物質的相互作用非常微弱,因此很難捕捉并進行檢測,每秒鐘大約有1000萬億個幽靈般的中微子穿過你的身體,但它們甚至都不會與一個原子發生接觸。

中微子是目前已知的唯一質量未知的粒子,測量其質量將有助于發現超越標準模型的新物理定律。圖為卡爾斯魯厄研究中心

中微子無處不在,但我們甚至不知道它們的重量,這真的有點瘋狂。

長期以來,物理學家們一直試圖稱量中微子的質量。今年9月,經過18年的籌劃、建造和校準,位于德國西南部的卡爾斯魯厄氚中微子(KATRIN)實驗宣布了首批結果:中微子的質量不超過1.1電子伏特(eV),約為電子質量的15萬分之一。

這個初步估計值僅來自一個月的數據,但與之前使用類似技術的測量結果相比,已經有所改進。此前的研究中,研究人員將中微子質量的上限設定為2ev。隨著數據的積累,KATRIN的目標是確定實際的中微子質量,而不是僅給出一個上限。

為什么要研究中微子質量?

2006年,卡特琳實驗的主光譜儀被運送到德國卡爾斯魯厄研究中心

質量是基本粒子最基本、最重要的性質之一。中微子是目前已知的唯一質量未知的粒子,測量其質量將有助于發現超越標準模型的新物理定律。在粒子物理學中,標準模型是描述宇宙中已知粒子和力之間如何相互作用的理論,盡管到目前為止,強力、弱力和電磁力的實驗結果都合乎標準模型的預測,但該模型并不完整。測定中微子的質量也可以用來檢驗宇宙學家關于宇宙如何演化的理論,根據最后得到的中微子質量結果,我們可能會迎來宇宙學中非常激動人心的時刻。

直到大約20年前,科學家還認為中微子是沒有質量的。1930年,科學家在理論上預測了中微子的存在,并在1956年觀測到了這種粒子。

2015年獲得諾貝爾物理學獎的一項發現改變了這種情況。物理學家發現,中微子可以從一種狀態轉變為另一種狀態,在三種“味”之間振蕩:電中微子、μ中微子和τ中微子。只有當中微子也具有三種可能的質量本征態時,這些振蕩才會發生;對于每一種味態,都可由幾種質量本征態混合形成,因此要求中微子質量非零。質量本征態在空間中以不同的方式傳播,所以當中微子從A點到達B點時,這種混合的概率就會改變,從而使探測器可以測量不同的味態。

根據最近的中微子振蕩數據(揭示了質量本征態之間的差異,而不是它們的實際值),如果最輕的質量態為零,那么最重的質量態必須至少為0.0495eV。

盡管如此,與其他粒子的質量相比,中微子的質量還是太輕了,以至于物理學家都不確定中微子是如何獲得如此小的質量的。標準模型中的其他粒子通過與希格斯場(一種充滿所有空間并拖曳大量粒子的能量場)相互作用來獲得質量。但是對于中微子來說,它的質量太小了,你需要一些額外的理論來解釋它。

弄清楚中微子如何獲得質量,或許可以解決其他相關的問題,比如為什么宇宙中物質比反物質更多。關于質量產生的機制有一些相互競爭的理論,對三種質量本征態的不同值進行了預測。盡管中微子振蕩實驗測量的是這些質量本征態之間的差異,但像KATRIN這樣的實驗卻希望得到這三種狀態的平均值,結合這兩種測量方法可以揭示每種質量本征態的值,從而支持中微子質量的某些理論。

宇宙的問題

中微子質量也具有宇宙尺度的重要性。盡管中微子的質量極小,但在大爆炸期間產生了如此多的中微子,它們的集體引力也會影響宇宙中所有物質聚集成恒星和星系的方式。大約在大爆炸后的一秒鐘,中微子以近乎光速的速度四處逃逸,它們的速度如此之快,以至于逃脫了其他物質的引力,但是之后,它們開始變慢,這使得它們能夠控制原子、恒星和星系。中微子開始減速的時間點取決于它們的質量,較重的中微子會更快減速,并幫助宇宙變得更“笨重”。

通過測量宇宙的密度,宇宙學家可以推斷出中微子的質量,但這種間接方法建立在假設宇宙模型是正確的基礎上,因此,如果該方法給出的答案與直接測量的中微子質量不同,可能就意味著宇宙學理論是錯誤的。

到目前為止,間接的宇宙學方法比像KATRIN這樣直接測量質量的實驗更靈敏。最近來自普朗克衛星的宇宙觀測數據表明,三個中微子質量本征態的總和不可能超過0.12eV,而在8月,另一項對宇宙觀測的分析發現,最輕的中微子質量必須小于0.086eV。這些都落在KATRIN實驗的上限以下,因此兩種方法之間并沒有矛盾,隨著KATRIN實驗收集的數據越來越多,兩種方法之間也可能會出現差異。

接下來是什么?

物理學家對KATRIN實驗期待已久,該實驗使用氫的重同位素氚來測量中微子的質量。當氚經歷衰變時,它的原子核會發出一個電子和一個電中微子,通過測量能量最大的電子的能量,物理學家就可以推斷出電子中微子的能量和質量。

如果KATRIN實驗發現的中微子質量大約是0.2或0.3eV,則宇宙學家將很難協調他們的觀測結果。一種可能的解釋是,一些新的現象會導致中微子質量的宇宙學影響隨著時間的推移而減弱,例如,中微子可能衰變為更輕的未知粒子,其接近光速的速度使它們無法聚集成物質。或者,在宇宙的歷史中,賦予中微子質量的機制已經改變了。

另一方面,如果中微子的質量接近宇宙觀測所預測的值,那么KATRIN實驗就沒有足夠的靈敏度來進行測量。KATRIN只能將中微子質量限定至0.2eV,如果中微子質量小于0.2eV,物理學家就需要更靈敏的實驗來確定其質量,并解決粒子物理學和宇宙學的問題。目前,已經有3個靈敏度可能更高的項目——project 8、“鈥的電子捕獲”(Electron Capture on Holmium)和HOLMES——已經在用概念驗證儀器來獲取數據。


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