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[中微子]第四种?科学家们正在研究一种新中微子

  中微子的穿透力非常强,哪怕是一亿个地球,也很难吸收一个中微子;中子星物质具有非常强的引力,还有着非常大的密度,能大大增加中微子被吸收的概率。

  (4)参与弱相互作用,但是弱力的作用尺度在10^-19米数量级;

  (2)不带电,不参与电磁相互作用,意味着中微子可以在原子中,电子和原子核之间穿梭自由,不受电磁力影响;

  要知道,在一个原子中,原子核的直径只有原子直径的百万分之一;而在原子核中,夸克之间的距离,又是夸克直径的数万倍,所以一个中微子穿过地球时几乎不受影响。

  中微子很难探测,原因有以下几点:

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  (1)质量太小,万有引力作用很弱,用引力探测中微子的办法基本行不通;

  (3)不参与强相互作用,意味着可以在原子核内,夸克与夸克间穿梭自由,不受影响;

  中微子号称“幽灵粒子”,是目前科学上最神秘的粒子之一,根据目前科学家掌握的证据,中微子的静止质量不为零但非常小,大约为电子质量的千万分之一。

  至于密度更高的夸克星物质,中微子被吸收的概率就更大了,对于黑洞而言,其引力就可以把中微子束缚住。

  正是因为以上几点原因,中微子几乎可以在地球上的所有物质间穿过且不受影响,只有非常小的概率撞击到原子核中的夸克,才有可能因为弱相互作用被吸收。

  对于中子星物质,原子核与电子间的空隙,被中子填满了,那么中微子参与弱相互作用的概率大大增加,中子星的引力对中微子有影响,但是中微子的速度一般都很接近光速,所以引力影响很有限。

  有电子中微子、介子中微子和tau中微子,它们分别与电子、介子和tau有关。电子是我们所熟悉的来自原子内部的粒子,而介子和介子是电子的笨拙和不稳定的近亲。中微子的每一种味道都是不同的,两者(在这个例子中是三个)永远不会相遇。在20世纪60年代和70年代,出现了一个谜团……一个中微子之谜。美国研究人员雷蒙德·戴维斯和约翰·巴考尔试图计算和测量在太阳这个最大的核反应堆中产生的中微子(特别是电子中微子)的速率。当对预测和测量结果进行比较时他们不同意。实验人员戴维斯发现电子中微子的数量只有理论学家巴赫预测的三分之一。那个特别的实验令人瞠目结舌。戴维斯使用了一个奥运游泳池大小的容器,里面装满了标准的干洗液,用来检测中微子。

  博科园:科学科普-粒子物理学类

  最近在费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)进行研究的科学家宣布了一项真正令人困惑的测量结果。它涉及一种叫做中微子的亚原子粒子,它是微宇宙的幽灵,能够在没有相互作用的情况下穿过地球,在开始讨论这些奇怪的东西之前。这项由科学家们共同完成的最新测量,可能预示着一种新的中微子的发现,这种中微子可能是暗物质的来源——这是现代天文学中最紧迫的难题之一。但要理解中微子是如何结合在一起的,需要知道中微子的历史,这是一个有曲折的迷人故事,会让阿加莎·克里斯蒂(Agatha Christie)的头旋转。

  现在我们来看看费米实验室的MiniBooNE实验的最新测量结果。这个名字来自“加速中微子实验”。它使用费米实验室的一种加速器——助推器——制造中微子。“迷你”来自于一个事实,当它被建造时,一个更大的后续实验被设想。MiniBooNE的科学家们发现,他们的数据实际上支持LSND的测量,而且,如果他们将他们的数据与LSND的数据结合起来,那么测量的统计强度就足够强大,足以宣称发现……可能是无菌中微子。但是,还有一个事实是,许多其他的实验与LSND(现在是MiniBooNE)实验完全不同。这是怎么回事?这是个好问题。LSND和MiniBooNE的研究人员可能只是发现了其他实验没有发现的东西。或者是LSND和MiniBooNE都做了一个错误的发现。也可能是这两种特殊的实验装置在其他方面都很敏感。

  第四种

  科学家们非常确信,当这种情况发生时,介子和电子中微子以2比1的比例产生。然而当测量这些中微子时,发现介子和电子中微子的比例是1比1。然而中微子再次迷惑了物理学家。神秘的中微子来自太阳和宇宙射线从太空解决了1998年,当日本的研究人员使用一个巨大的地下水箱50000吨水研究比μ介子和电子中微子在大气中创建12英里以上,同比比创造了地球上的另一边,约8000英里远。通过采用这种巧妙的方法,他们发现中微子在行进过程中改变了它们的身份。例如在大卫-巴霍谜题中,来自太阳的电子中微子正在转变成另外两种类型。

  这是个好消息。既然费米实验室选择了发展其研究中微子的能力,而不是一种,而是三种不同的中微子实验正在进行或正在建设中,中微子的产生和探测点之间的距离很短。一种被称为微boone (MiniBooNE的一个小版本,使用不同的技术),另一种是ICARUS(成像宇宙和罕见的地下信号),第三种是SBN(短基线中微子)。所有这些实验在技术能力上都远优于MiniBooNE和LSND,因此研究人员希望在几年的时间里,他们能就惰性中微子的问题发表决定性的声明。

  奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1930年首次提出中微子的存在。我们现在知道,中微子只通过所谓的“弱力”进行相互作用,弱力是在比原子小的距离上产生任何影响的力中最弱的一种。中微子是在核反应和粒子加速器中产生的。1956年,由美国人克莱德·考恩(Clyde Cowan)和弗雷德里克·雷恩斯(Frederick Reines)领导的一个物理学家团队首次观测到了这些幽灵般的粒子。对于他们的发现,Reines分享了1995年的诺贝尔物理学奖(考恩在颁奖前去世)。在过去的几十年里,很明显,有三种不同的中微子,现在被称为味道。每种中微子的味道都是不同的,就像你童年时的香草、草莓和巧克力那不勒斯冰激凌一样。中微子的实际味道来自于它们与其他亚原子粒子的联系。

  当时的想法是,当来自太阳的中微子击中干洗液中的氯原子时,这些原子就会变成氩。戴维斯会等上几个星期,然后试着提取氩气。他想要10个氩原子,但他只找到了3个,是的,你没看错,只有三个原子。除了实验上的困难之外,Bahcall所做的计算对太阳的核心温度是具有挑战性和极度敏感的。太阳温度的微小变化改变了对应该产生的中微子数量的预测。其他的实验证实了Bahcall和Davis观察到的差异,但是考虑到他们尝试做的困难,我很确定他们中的一个犯了错误。计算和测量都很难做到,但我错了。另一个矛盾困惑,当来自外太空的宇宙射线撞击到我们所呼吸的空气中时,中微子就产生在地球的大气层中。

  一个重要的参数是,中微子产生的地点和被探测到的地点之间的距离相对较短——只有几百米,或者有几个足球场的长度。中微子需要时间来振荡,如果它们在运动,这就转化为距离。许多中微子振荡的实验都有位于几百英里以外的探测器。也许重要的振荡发生得很快,所以关闭检测器是至关重要的。让问题更复杂的是,LSND和MiniBooNE的合作,虽然相隔了十多年,但涉及的是同一个人。因此仍有可能重复同样的错误,或者表现出同样的才华,很难确定。那么,我们如何解决这个问题呢?我们如何发现谁是对的?这就是科学,在科学中,测量和复制赢得了争论。

  2001年洛斯阿拉莫斯实验室(Los Alamos laboratory)开展了一项名为LSND(液体闪烁器中微子探测器)的研究。他们的测量不符合三种不同口味的中微子。为了让他们的结果有意义,他们需要假设第四种中微子。这不是一种普通的中微子。它被称为“惰性中微子”,也就是说与普通的中微子不同,它没有感觉到弱力。但它确实参与了中微子振荡…中微子味道的变形。它可能很重,这意味着它是暗物质的理想候选者。这是一个很酷的观察,但是很多其他的中微子实验都不同意。事实上,LSND的结果是一个异常值——非常奇怪,以至于它通常不用于中微子物理的元分析。

  博科园-科学科普|文:Don Lincoln(费米国家加速器实验室,兼圣母大学物理系教授)/Live Science

  这种中微子改变味道的现象,就像香草变成草莓或巧克力一样,叫做中微子振荡。这是因为中微子不仅改变了它们的特性而且停止了。相反如果给它们足够的时间,三种中微子不断地交换它们的身份。2001年在安大略省萨德伯里进行的实验进一步证实了中微子振荡的解释。如果你觉得这个故事令人眼花缭乱,那我们就开始吧。多年来中微子在扫过的一周中产生了比肥皂剧更多的惊喜。随着中微子振荡现象的建立,科学家们可以利用粒子加速器对其进行研究。可以制造中微子束,并描述它们从一种味道变化到另一种味道的速度。事实上有一个完整的中微子振荡行业,全球各地的加速器都在研究这一现象。中微子研究的旗舰实验室是我自己的费米实验室。

  (本图片信息见图注)

  来自:Universe Today

  这也表明该天文台能够超越其原本的目的,即粒子物理研究和中微子研究。正如最新研究清楚表明的那样,它也有助于行星科学研究和核物理。物理学家也希望使用完整的86弦IceCube阵列进行多年分析,研究更高范围的中微子能量。

  (图注)IceCube中微子天文台中心的中微子探测器Icetop Tank。图片版权:Dan Hubert

  (本图片信息见图注)

  这一成就非常重要,因为它首次表明,非常高能的中微子可以被某种东西吸收 ——在这种情况下,就是地球。我们知道低能中微子几乎可以穿过任何东西,但是尽管预期高能中微子会有所不同,但以前的实验并没有能够令人信服地证明高能中微子可以被任何东西阻挡。

  (本图片信息见图注)

  作者:Matt Williams

  (图注)向下看IceCube的探测器钻孔之一。图片版权:IceCube Collaboration/NSF

  审校:博科园

  IceCube的建立是为了探索物理学的边界,这样做可能会挑战对宇宙本质的现有看法。这个新的发现和其他未来的发现是在科学发现的精神。自从2012年发现希格斯玻色子以来,物理学家就已经确信,确定标准模型的漫长旅程已经完成。从那以后,他们把它们放在了更远的地方,希望找到能够解决宇宙更深层的奥秘的新物理学——即超对称性,万物论(ToE)等等。

  通过探测与清冰相互作用的中微子,IceCube仪器能够估计中微子的能量和行进方向。然而尽管有这些检测结果,关于是否有任何物质可以阻止中微子在太空中行进,这个神秘的东西依然存在。根据粒子物理的标准模型,这是偶尔会发生的事情。

  (图注)这张图片展示了在南极冰立方实验室的视野中,最高能量中微子探测的一个可视化表示概念图。图片版权:IceCube Collaboration

  正因为如此,科学团队对他们的结果感到有些惊讶(也许是失望)。正如威斯康星州麦迪逊大学(University of Wisconsin-Madison)的IceCube Neutrino Observatory(首席研究员)和物理学教授Francis Halzen所解释的那样:了解中微子如何相互作用是IceCube操作的关键,我们当然希望能出现一些新的物理学,但不幸的是发现标准模型像往常一样经受住了考验。

  (本图片信息见图注)

  知识:科学无国界,博科园-科学科普

  编译:中子星

  (本图片信息见图注)

  中微子的存在最早是由理论物理学家沃尔夫冈·保利(Wolfgang Pauli)在1930年提出的,他假设它的存在是从能量守恒的角度来解释β衰变的一种方式。之所以如此命名,是因为它们是电中性的,只能通过微弱的亚原子力和重力与物质相互作用。因此中微子经常通过正常的物质。

  在南极的阿蒙森 - 斯科特南极站,有一个专门研究中微子基本粒子的设施IceCube Neutrino Observatory。该阵列由5160个球形光学传感器组成——数字光学模块(DOM) 埋在一立方千米的冰中。目前这个天文台是世界上最大的中微子探测器,过去七年来一直在研究这些粒子的性质和相互作用。

  中微子是由地球上恒星和核反应堆定期产生的,而第一批中微子是在大爆炸期间形成的。因此,研究它们与正常物质的相互作用,可以告诉我们很多有关宇宙在数十亿年内如何演变的信息。许多科学家预计,对中微子的研究将表明新物理学的存在,超越了标准模型。

  最近发表在《自然》(Nature)杂志上的这项研究题为“用地球吸收来测量多tev中微子相互作用与冰立方的相互作用”。该研究小组的研究结果基于对高能量、向上移动的中微子的10784种相互作用的观察,这些中微子是在天文台一年的时间里记录下来的。

  早在2013年,高能中微子的首次检测就是由IceCube合作完成的。这些被认为是天体物理学的中微子处于电子伏特范围,使它们成为迄今为止发现的最高能量的中微子。通过寻找Cherenkov辐射,IceCube搜索这些相互作用的迹象,这是在快速移动的带电粒子通过与正常物质相互作用而减慢之后产生的。

  这一点,以及研究物理学在最高能级(类似于宇宙大爆炸时存在的能级)是如何工作的,是物理学家目前的当务之急。如果他们成功了,我们可能就会明白宇宙是如何运作的。

  (图注)这个事件显示了“Bert”,这是在IceCube上发现的两个中微子事件之一,其能量超过了一个电子伏特(PeV),图片版权:Berkeley Labs.

  大多数情况下,这项研究所选用的中微子比 太阳或核电厂所产生的中微子多一百万倍以上。这个分析还包括一些天体物理学 - 也就是超出地球大气层的地球物理学——也许是超大质量黑洞(SMBHs)加速到地球的。

  这项研究不仅提供了地球吸收中微子的第一次测量,也为希望使用中微子探索地球内部的地球物理学研究人员提供了机会。鉴于地球有能力阻止数十亿常规通过它的高能粒子,科学家们可以开发研究地球内外核的方法,对其大小和密度进行更精确的限制。

  在观察IceCube一年的相互作用之后,科学小组发现,那些穿越地球最远的中微子到达探测器的可能性更小。宾夕法尼亚州立大学物理学和天文学/天体物理学教授Doug Cowen在宾夕法尼亚州立大学的新闻发布会上解释道:

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  参考:宾州州立大学,《Nature》

  正如美国国家科学基金会(NSF)物理部门(负责为IceCube提供支持)的项目总监詹姆斯·惠特莫尔(James Whitmore)指出的那样:这可以让他们真正地寻找超越标准模型的物理学。

  艾伯塔大学物理学教授Darren Grant也是IceCube协作组织的发言人指出:这个最新的互动研究为未来的中微子研究打开了大门,中微子的行为给我们带来了惊人的声誉。看到这个第一次测量,以及未来精密测试的潜力,这是非常令人兴奋的。

  在美国宾夕法尼亚州立大学物理学家的协助下,IceCube合作最近发布的一项研究测量了地球第一次阻止中微子的能力。与粒子物理的标准模型相一致,尽管有数万亿的中微子通过地球(包括我们人类自己),但偶尔会有一些中微子停下来。


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