南極千米深處藍光閃爍,科學家尋找它數十年,至今無法計算出質量

2020-12-04 茶馬星球視野

數十年來「真正的」中微子一直在和科學家捉迷藏,科學家們能在南極洲找到它嗎?現在南極洲的冰立方中微子天文臺可能會幫助物理學家找到它們。

中微子可能是已知粒子中最令人費解的。它們完全無視所有已知的粒子應該如何運動的規則。它們嘲笑我們花哨的探測器,就像宇宙中的貓一樣,無憂無慮地在宇宙中漫步。偶爾與我們互動,但只有當它們喜歡的時候才會這樣做,不過這樣的情況,老實說並不常見。最令人沮喪的是,它們戴著面具,而且從來不會兩次看起來完全一樣。

中微子幾乎不與正常物質打交道,所以它們完全有能力直接穿過地球本身。當它們這樣做的時候,它們會變成各種各樣的不同的中微子形式。一項新的實驗可能讓我們距離摘掉這些面具又近了一步。揭示中微子的真實身份有助於回答科學家長腦海中長期存在的問題,比如中微子是否是它們自己的反物質夥伴,這種物質甚至有助於將自然界的力量統一用一個整體理論來描述。

科學家正通過南極的冰立方微粒子天文臺進行觀測,下圖中:微子與南極冰的相互作用過程中,脫落了一個μ子,當這個μ子以超快的速度移動時,它會留下一道藍光的痕跡,這就是所謂的契倫科夫輻射。

科學家在研究中微子的過程中,發現了一個大問題。中微子很奇怪。有三種:電子中微子,μ子中微子和τ陶子中微子。它們之所以如此命名,是因為這三種類型粒子是由三種不同的粒子分別結合在一起。電子中微子參與電子的相互作用。μ介子中微子與μ介子配對,τ陶子中微子是帶負電荷、自旋12的基本粒子。

到目前為止,上述內容根本不奇怪。真正奇怪的是,對於非中微子的粒子,比如電子、介子和τ陶子,所見即所得。除了質量不同外,這些粒子都是完全相同的。如果你發現一個具有電子質量的粒子,它的行為就像電子應該表現的那樣,μ子和τ陶子也一樣。更重要的是,一旦你發現一個電子,它總是一個電子,不多也不少。μ子和τ陶子也是一樣。

但是對於電子、μ子和τ陶子的近親來說,它們的表現可就不一樣了。我們所說的「τ陶子」並不總是中微子。它可以改變它的身份。它可以在飛行過程中,成為電子或μ子中微子。沒有人預料到的這種奇怪現象本質上叫做中微子振蕩。這意味著,你可以創造一個電子中微子,並把它作為禮物送給你最好的朋友。但是當他們得到它的時候,他們可能會失望地發現它手中是τ陶子。

處於技術上的原因,中微子振蕩只有在三個不同質量的中微子同時存在時才會發生。但是振蕩的中微子不是電子中微子、μ子中微子和τ陶子中微子。事實三種「真正的」中微子已經被科學家檢測到,每個中微子具有不同但未知的質量。這些真實的,本質上的中微子的獨特混合產生了我們在實驗室中檢測到的三種不同的中微子味道((電子,μ子,陶子),實驗室測量的質量是那些真實中微子質量的混合物。與此同時,混合物中每一個真正中微子的質量決定了它轉變成其它不同中微子的頻率。

現在物理學家的工作是理清其中所有的關係。通過觀察它們何時以及多久變換一次口味,來計算那些真正的中微子的質量是多少,以及它們如何混合在一起形成這三種不同口味的 。通過各種艱苦的實驗,科學家們現在至少間接地對真正中微子的質量有所了解,但是卻仍不知道真正的中微子到底有多重,也不知道哪個更重。

所以物理學家只能用m1,m2和m3來代表具有確定質量的中微子,可能m3是最重的,遠遠超過m2和m1。這就是所謂的「正常順序」,這是物理學家幾十年前就已經猜想的順序。但是根據科學家目前的研究,m2也可能是最重的中微子,m1緊隨其後,相比之下m3則微不足道。這種情況稱為「倒序」,這意味著物理學家最初猜錯了順序。

當然也有理論家認為上述每一種情況都是真實的。試圖將所有或至少大部分的自然力統一在一個屋簷下的理論,通常要求正常的中微子質量排序。另一方面,反物質排序對於中微子是其自身的反粒子孿晶是必要的。如果這是真的,它可以幫助解釋為什麼宇宙中的物質多於反物質。

它到底是正常順序還是倒序? 這是過去幾十年中微子研究中面臨的最大問題之一,而這正是創建大型南極洲冰立方中微子天文臺所要回答的問題。該觀測站位於南極,研究人員在南極冰蓋上轉了許多洞,這些洞深達一兩千米,86行光探測器沉入南極冰蓋深處,中心的「深核」探測組由8行效率更高的探測器組成,能夠發現更低能量的相互作用。

每隔一段時間,中微子就會撞擊靠近冰立方探測器的一個分子,引發一連串的粒子雨,釋放出令人驚訝的藍光,這就是科學家說說的切倫科夫輻射,冰立方探測到的就是這種光,光線的量能意味著中微子攜帶的能量,探測器被激發的模式和順序則表示出他們的活動方向。

現在多個國家已經在世界各地的深處建立了地下探測實驗室,我們期待科學家能夠計算出中微子的質量,對中微子的捕捉有助於揭開更多的星辰歷史和宇宙奧秘,

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