尋找第四種中微子



中微子是一種很輕的、難以捉摸的亞原子粒子。1930年,沃爾夫岡·泡利提出存在中微子的假設,以此來解釋某些放射性原子在衰變過程中的能量消失。這是一類幾乎不與普通物質相互作用的基本粒子,因此探測難度極大。直到1956年,物理學家才通過實驗證實了中微子的存在。


標準模型描述基本粒子和它們之間的相互作用。| 圖片來源:原原

現在,中微子是粒子物理學標準模型不可或缺的一部分,它們無處不在,同時又神祕無比。中微子有三種型別,或者三種“味”,即電子中微子、μ子中微子和τ子中微子,它們會通過四種基本力中的弱力和引力與物質相互作用。

當中微子在空間中傳播時,會發生相當有趣的事情,它們會從從一種味轉化成另一種味,這種過程被稱為“中微子振盪”。


1993年,洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍中微子探測器實驗發現了令人困惑的中微子探測結果。| 圖片來源:Los Alamos National Laboratory

測量中微子振盪的實驗通常著眼於檢視在特定情況下,某種特定型別的中微子會出現多少,或消失多少。上世紀90年代初,在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)的地下深處執行的液體閃爍中微子探測器(LSND)實驗中,科學家看到了比預期更多的電子中微子。

對於這種異常現象,大多數解釋都提出可能存在第四種型別的中微子,即所謂的“惰性中微子”。物理學家認為,這種假想的中微子會根據新的規則,混合所有的中微子型別。自那之後,世界各地的許多實驗都試圖尋找惰性中微子的蹤跡。物理學家相信,這種假想粒子能夠為解開許多重大的宇宙之謎提供線索。

MiniBooNE實驗的結果暗示了可能存在一種輕惰性中微子。| 圖片來源:Fred Ullrich / Fermilab

2018年,美國費米國家實驗室(Fermilab)的MiniBooNE實驗終於探測到了與LSND實驗大體上相一致的結果。在LSND和MiniBooNE實驗中,研究人員在相對較短的距離(30米到500米之間)發射一束 子中微子,然後測量在另一端探測到的電子中微子的數量。

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物理學家知道,在這樣的距離內, 子中微子不能直接振盪成電子中微子。但如果一些 子中微子變成非常輕的惰性中微子,再變成電子中微子,就能夠解釋實驗中觀測到的這些額外的電子中微子了。這就是惰性中微子假說。

那麼,惰性中微子真的存在嗎?其實,如果實驗真的能夠證實這樣一種輕的惰性中微子的存在,那將會是非常重大的突破,它意味著很有可能宇宙中也存在其他更重的惰性中微子,這些更重的中微子可以解答粒子物理學中的幾個主要難題,比如可能構成了宇宙大部分的物質的暗物質的性質,為什麼中微子有質量,為什麼宇宙中包含的物質比反物質多得多……

然而與此同時,輕惰性中微子假說又讓宇宙學家感到“頭疼”。因為如果它們真的存在,那麼我們應該能夠觀測到在大爆炸後形成的惰性中微子的痕跡。可是從最近對宇宙微波背景輻射的研究中,或從星系的分佈以及在星系之間的輕元素的研究來看,並沒有任何跡象表明存在這樣的惰性中微子。


如果惰性中微子存在,它們應該會在宇宙微波背景中留下痕跡。| 圖片來源:ESA / Planck Collaboration

這可能意味著,關於惰性中微子的假說是錯誤的;又或者,我們對宇宙的理解中存在錯誤。

現在,一項新的研究結果為許多期待發現惰性中微子的科學家帶來了令人失望的訊息。在Fermilab展開的一項名為MicroBooNE的新實驗中,研究人員發現:新的結果與粒子物理學的標準模型一致,即只存在三種中微子,不多也不少,並沒有惰性中微子存在的跡象。

MicroBooNE實驗是專門為了追蹤中微子的這種異常現象而設計的,它是一個重達170噸的中微子探測器,自2015年以來便一直在執行。實驗涉及到多種不同的相互作用型別,進行實驗的研究人員採用的是非常尖端的技術來記錄中微子事件的精確3D影象。


MicroBooNE先進的液體氬技術使研究人員能夠捕捉粒子軌跡的詳細影象。這個電子中微子事件顯示了一個電子簇射和一個質子軌道。| 圖片來源:MicroBooMicroBooNE Collaboration

他們採用了多種不同的方法對資料進行了分析,得出了具有非常高的置信度的結果,但所有的這些結果都表明,沒有發現額外的電子中微子的跡象。這對於進行了LSND實驗和MiniBooNE實驗的研究人員,以及惰性中微子假說的支持者來說,是很令人失望的。

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這樣的結果使許多物理學家開始思考這樣一個問題:究竟是什麼導致了早期實驗所觀察到的異常結果?有物理學家指出,到目前為止,得出了最新結果的MicroBooNE合作團隊只分析了已收集到的資料的一半,因此他們認為在此時最好對新的結論持保留態度。待到物理學家對MicroBooNE的資料展開進一步分析之後,或許將能得到更多有助於解開這個謎團的資訊。

#創作團隊:

文:不二北斗

#參考來源:

https://theconversation.com/the-hunt-for-sterile-neutrinos-a-new-experiment-has-dashed-hopes-of-an-undiscovered-particle-170369

MicroBooNE experiment’s first results show no hint of a sterile neutrino

https://news.mit.edu/2021/3-questions-investigating-long-standing-neutrino-mystery-1028

#圖片來源:

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封面圖:Reidar Hahn / Fermilab

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