讓中微子不再“藐視”標(biāo)準(zhǔn)模型 多國科學(xué)家合力闡述物理學(xué)未知領(lǐng)域2013-09-09
即使探測少量的中微子，物理學(xué)家也需要諸如日本超級神岡般的巨型探測器,。
圖片來源：KAMIOKA OBSERVATORY
有一種粒子公然藐視物理學(xué)家標(biāo)準(zhǔn)模型的規(guī)則,，它就是中微子。根據(jù)理論,，中微子不具有質(zhì)量,。但是，事實(shí)情況是,，中微子有質(zhì)量,，從理論的角度來說，它們表現(xiàn)得“天馬行空,、不受拘束”。
美國黑堡鎮(zhèn)弗吉尼亞理工學(xué)院理論家Patrick Huber說：“在中微子物理學(xué)領(lǐng)域,，允許和標(biāo)準(zhǔn)模型存在10%,、20%或50%的偏差?！睂δ切で笮挛锢淼娜硕?，“中微子是一個(gè)值得鉆研的領(lǐng)域”。
中微子源于一種形式的核衰變,，與其他物質(zhì)的相互作用力很弱,。中微子的表現(xiàn)形式很多樣，1998年,，物理學(xué)家利用日本一個(gè)礦內(nèi)的超級神岡探測器,，發(fā)現(xiàn)中微子具有質(zhì)量——盡管不足電子的十億分之一。
但根據(jù)愛因斯坦的相對論,，中微子是無質(zhì)量的,，它們不得不以光速飛行。在這種情況下,，時(shí)間對于中微子而言幾近停止,，變化也可以忽略不計(jì)。
對于中微子各種“不合常理”的表現(xiàn),，美國伊利諾伊州埃文斯頓市西北大學(xué)理論家André de Gouvêa說：“你絕對可以說中微子在物理學(xué)領(lǐng)域是一顆脫穎而出的新星,。”中微子有三種類型——電子,、μ介子和τ子,，在振動中它們可以從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，這一現(xiàn)象可以被6種參數(shù)描述：質(zhì)量上的3種不同（這決定著振蕩的速度）和3種不同的混合角（這決定從一種形態(tài)轉(zhuǎn)為另一種的差異）,。在過去的18個(gè)月中,，這一模型聚焦的范圍已經(jīng)進(jìn)一步縮小,。
2012年3月，中國大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)工程的物理學(xué)家測量了最后一個(gè)未知的混合角,，并發(fā)現(xiàn)其比很多人曾經(jīng)預(yù)想的大,。3個(gè)已知的混合角都大于零度，結(jié)果顯示中微子和反中微子能夠以不同的方式振蕩——這種被稱為宇稱不守恒的不對稱性有助于解釋為何宇宙中的物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì),。
美國伊利諾伊州巴達(dá)維亞市費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）的Robert Plunkett說,，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)表明，如果宇稱不守恒確實(shí)存在,，那么它能夠被相對容易地觀測到,。“曾經(jīng)被認(rèn)為很艱巨的任務(wù),，現(xiàn)在已處于我們的掌握之中,。”他說,。
今年3月,，這個(gè)新模型更為引人注目，宇宙學(xué)家利用歐洲航天局的普朗克飛船完成了其宇宙微波背景實(shí)驗(yàn),。該分析探究了中微子形態(tài)的數(shù)量,，對可能存在的第四種中微子提出了懷疑。de Gouvêa說：“目前確切證實(shí)的3種類型的中微子相互作用良好,。這個(gè)結(jié)果也許令人失望,，但這就是事實(shí)?！?/font>
物理學(xué)家計(jì)劃開展以前從未有過的更大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)：將中微子發(fā)射到距離地球數(shù)百公里外的區(qū)域,，允許它們在飛行中改變形態(tài)。在美國,，被提議的長基線中微子實(shí)驗(yàn)將利用儲存在南達(dá)科他州里德附近廢棄的霍姆斯特克礦地下的巨型探測器,，探測從1300公里外的Fermilab發(fā)出的中微子束。在日本,，計(jì)劃中的Hyper神岡實(shí)驗(yàn)將探測從295公里處發(fā)出的中微子,，探測器的規(guī)模是超級神岡的20倍。
物理學(xué)家希望,，通過采取一系列不同的測量方法,，能找到現(xiàn)有中微子模型間的差異。美國紐約布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Mary Bishai說：“如果我們試圖以不同的方式觀測中微子振蕩,，驚喜是否會出現(xiàn),？3種形態(tài)的中微子模型是否會被瓦解？”
物理學(xué)家還希望首先知曉中微子是如何獲得質(zhì)量的,。和標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他粒子一樣,，中微子能夠從希格斯場的作用中獲得質(zhì)量,。或者,，它們可能通過所謂的翹翹板機(jī)制獲得質(zhì)量,。但是要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，中微子必須有一個(gè)特性：它是其自身的反粒子,。
為了進(jìn)一步證實(shí)猜想,，物理學(xué)家正在使用地下探測器尋找一種被稱為“無中微子雙β衰變”的核衰變新類型，這種情況只有在中微子是自身反粒子時(shí)才會發(fā)生,。迄今為止,，還沒有出現(xiàn)一些強(qiáng)有力的證據(jù)。
7月,，意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室地下鍺探測器陣列（GERDA）實(shí)驗(yàn)顯示,，先前宣稱觀測到的鍺-76同位素是不實(shí)的。如果衰變確實(shí)存在,，很多研究人員懷疑需要更大型（重達(dá)1噸或數(shù)噸）的探測器才能進(jìn)行觀測,。
盡管中微子物理學(xué)“不走尋常路”——與標(biāo)準(zhǔn)模型存在偏差，其仍是研究人員熱衷研究的領(lǐng)域,，這些難以捉摸的粒子總有著無比強(qiáng)大的誘惑力。（段歆涔）
《中國科學(xué)報(bào)》 (2013-09-09 第3版 國際) |
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