「幽靈粒子」中微子，是如何與原子核互動的？

2020-09-30 科學大觀園雜誌


該橫截面圖展示了與中子-原子核相互作用之於能量的變化趨勢。

中微子，從宇宙起源時一直到今天都是宇宙中最為豐富的粒子之一。科學家經常把這種由太陽核聚變反應產生的大量物質稱為「幽靈粒子」。每秒鐘就有數萬億的中微子傾瀉在地球上，悄無聲息穿過地球，仿佛它們並不存在。

《物理評論X》當地時間9月28日發文稱，一個國際研究小組首次構建了精細模型以解開關於中微子的眾多謎團之一——它們如何與原子核發生相互作用。

原子核，即由質子和中子(統稱「核子」)被強力捆綁而成的複雜系統。這一認識對於解開一個更大的謎題至關重要：為什麼中微子在太空或物質中「旅行」時會神奇地產生三種不同類型（也稱作「味」）形變。

為解開中微子的重重謎團，費米國家加速器實驗室分別利用MiniBooNE和NOvA兩類粒子探測器進行了兩組實驗。

在這些實驗中，科學家們在粒子加速器中生成一股強烈的中微子流，然後分別用MiniBooNE和NOvA探測器捕獲它們。MiniBooNE可在中微子運動一段時間後將其捕獲，而NOvA則在中微子長達500英裡的旅途中將其捕獲。

MiniBooNE和NOvA兩臺探測器採用的原子核來自碳-12同位素，它有6個質子和6個中子。在得知中微子類型的原始分布情況後，實驗人員進一步收集了中微子在探測器中與原子核發生相互作用的相關數據。

根據這些信息，他們能夠計算出中微子類型隨時間及距離變化而產生的變化。模型計算所得的中微子彈性截面數據與理論預期幾乎一致，這表明了該模型的有效性。

鑑於中微子難以捉摸的特性，要對其反應進行全面描述是一項艱巨的挑戰。該小組基於中微子與單個核子或核子對的相互作用而建立的核物理數據模型，迄今為止最為精確

。Noemi Rocco是美國阿貢國家實驗室物理部和費米實驗室的博士後研究人員，他解釋道：「我們的研究模型是首款能在如此微觀的層面上模擬這些相互作用的模型。早期的方法沒有這麼精準。」

該實驗室的核物理學家Alessandro Lovato補充道：「探測器中的原子核越大，中微子與它們發生相互作用的可能性就越大。未來我們計劃使模型引用更大原子核（如氧和氬）的數據來支持其他實驗。」

科學家們希望中微子及其反粒子（被稱為「反中微子」）振蕩的完整圖景最終會掀開神秘面紗。這將有助於解答「為什麼宇宙是由物質而非反物質構成」這一關於宇宙的基本問題。

原創編譯：朱明逸 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源： 《物理評論X》

期刊編號： 2160-3308

原文連結：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-09/dnl-tca092820.php

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