研究表明：中微子應該是有質量的，但右手中微子卻很難被發現
2020-07-17 博科園一個追蹤「新物理」中微子的國際研究團隊，對照理論家提出的標準模型擴展研究了與中微子探測相關的所有相關實驗數據。最新分析是第一次有如此全面的報導，顯示了右手中微子探索者面臨的挑戰規模，但也帶來了希望的火花。在所有已觀測到涉及中微子的過程中，這些粒子都表現出一種被物理學家稱為左手性的特徵。右手中微子，這是標準模型最自然的延伸，無處可見。
那麼是為什麼呢？包括克拉科夫波蘭科學院核物理研究所(IFJ PAN)在內的一個國際物理學家小組進行的最新、極其全面的分析有助於回答這個問題。來自所有相關實驗的數據，直接和間接用於中微子探測，第一次被包括在內，並與標準模型各種理論擴展施加的參數範圍進行了核對。第一個亞原子粒子，電子，是在120多年前才被觀察到。從那時起，物理學家們已經發現了一大堆這樣的東西。
自然界建築磚的豐富性是基於這樣的假設來解釋：即世界由六種大誇克組成，而更不用說質量更輕的輕子也有六種。輕子包括電子、µ子(質量是電子的207倍)、τ(質量是電子的3477倍)和相應的三種中微子。中微子與其他物質的相互作用極差，中微子還顯示出對現代物理形態特別重要的其他特徵。最新研究發現，這些粒子會振蕩，也就是說，中微子不斷地從一種類型轉變為另一種類型。
中微子應該有質量
這種現象意味著觀測到的中微子一定有一個質量(雖然很低)。與此同時，標準模型（一個非常精確地描述亞原子粒子的現代理論工具）表明：在標準模型框架內，中微子不能有任何質量！理論和經驗之間的這種矛盾，是支持未知亞原子粒子存在的最有力跡象之一。然而，中微子的質量並不是中微子唯一令人費解的性質。物理學家通過觀察各種粒子的衰變產物，並將記錄的結果與理論預測相比較，來了解中微子的存在。
事實證明，在所有表明中微子存在的情況下，這些粒子的自旋度總是相同的1/2，即它們是左手性的。這很有趣，因為其他物質粒子可以有正負自旋。但沒有右手中微子可見！如果它們不存在，那為什麼會這樣？如果它們存在，它們藏在哪裡？現在一個國際物理學家團隊在《歐洲物理雜誌C》期刊上發表的新研究更接近於回答上述問題。
來自IFJ PAN、歐洲核子研究組織(CERN)、盧萬大學(比利時盧瓦恩-拉諾夫)、莫納什大學(澳大利亞墨爾本)、明興理工學院(德國)和阿姆斯特丹大學(荷蘭)的科學家對十幾個亞原子物理中最複雜的實驗（包括一般性質的實驗和直接致力於觀察中微子的實驗）收集的數據進行了迄今為止最準確的分析，而且研究人員並不局限於僅僅增加實驗次數和處理的數據量。
在分析中考慮了理論家提出需要右手中微子存在假設過程的可能性，其中之一是與馬約拉納中微子有關的蹺蹺板機制。1937年，埃託雷·馬約拉納(Ettore Majorana)假設物質粒子的存在是它自己的反粒子，這樣的粒子不可能帶電。因為除了中微子之外，所有的物質粒子都帶電荷，所以新粒子可能是中微子。理論表明，如果馬約拉納中微子存在，也可能存在蹺蹺板機制。
迄今最準確的分析
這將意味著，當一個自旋度狀態的中微子質量不是很大時，自旋度相反的中微子肯定有非常大質量。所以，如果左手中微子質量非常低，如果它們是馬約拉納中微子，在右手性中，它們肯定是大質量的，這就解釋了為什麼我們還沒有看到它們。最新分析是使用專門的開源GAMBIT包進行，考慮了目前所有可用的實驗數據和各種理論機制提供的參數範圍。蹺蹺板機制本身意味著計算必須使用四倍精度的浮點數，而不是雙精度的浮點數。
最終數據量達到60 TB，分析在速度很快的波蘭計算集群普羅米修斯中進行，該集群由AGH科技大學的學術計算機中心Cyfront管理。波蘭方面由波蘭科學基金會和國家學術交流機構撥款資助的分析結果並不樂觀。事實證明，儘管進行了多次實驗，收集了大量數據，但可能的參數空間只被穿透到了很小程度。研究可能會在即將開始的實驗中發現右手中微子。然而如果右手中微子藏在某個參數空間的最深處，可能要等上100年才能發現它們。
幸運的是，也有一絲希望，在可能與右手中微子有關的數據中，捕捉到了潛在信號的蹤跡。在這個階段，它是非常弱的，最終可能只是一個統計波動，但如果不是會發生什麼呢？在這種情況下，一切都表明，在大型強子對撞機(LHC)的繼任者，未來圓形對撞機(Future Circle Collider)上，有可能觀測到右手中微子，但建設時間還很長，科學家們將不得不用極大的耐心等待，期待某一天能看到右手中微子。
博科園｜研究/來自：波蘭科學院核物理研究所
參考期刊《歐洲物理雜誌C》
DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-8073-9
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