重大物理实验 科学家可能发现假想基本粒子惰性微中子
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-16
【Technews科技新报】微中子是宇宙中继光子后第二常见的基本粒子,我们目前已知 3 种微中子存在,但假定的微中子“惰性微中子”还是个未被发现的幽灵人物,一旦身份证实,将改写自 1975 年以来主导粒子物理的标准模型,并进一步解开可能由新粒子构成的暗物质谜团。现在,美国 MiniBooNE 实验即将发布一份为惰性微中子“正名”的新论文,让物理学界兴奋不已。
在粒子物理标准模型中,已知有三种味的微中子:电微中子(νe)、缈微中子(νμ)以及涛微中子(ντ),微中子是宇宙中最丰富的粒子之一,但它们不带电荷、比原子还要小,每秒可能有数不清的微中子通过你的手指尖,但它们只参与弱交互作用,不会与你身体的其他物质打招呼,因此很难被发现。
微中子种类最好的测定结果来自观测 Z 玻色子衰变,这种粒子衰变会产生各种类型的轻微中子及对应的反微中子,产生的轻微中子种类越多,Z 玻色子寿命越短。
虽然从标准模型中 6 种夸克与 6 种轻子的对应关系推测,实际上可能只有 3 种微中子,但过去一些实验让部分物理学家相信还有第 4 种更神秘的微中子类型存在:惰性微中子(sterile neutrino),它不能通过观测 Z 玻色子衰变确定、也不会参与弱交互作用(只参与重力交互作用,因此得名幽灵粒子),但可以通过微中子振荡产生。
最早揭示惰性微中子可能存在的是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的“液闪烁器微中子探测器(Liquid Scintillator Neutrino Detector,LSND)”,只不过除了美国费米国立加速器实验室(Fermilab)的MiniBooNE 实验异常数据曾试着佐证外,后续许多实验结果都与 LSND 相矛盾,最令人沮丧的是南极 IceCube 微中子探测器在分析 10 万次微中子事件后,于 2016 年宣布完全检测不到惰性微中子。
另有美国太空总署的人造卫星“威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP)”专门探测宇宙大爆炸后残留的辐射热,其观测数据也可同时兼容于 3 或 4 种微中子,所以,惰性微中子究竟存不存在一直是个热门话题。
直至去年为止,还有论文强烈质疑不会有惰性微中子,但现在来自 MiniBooNE 实验的 47 名物理学家共同发布新论文,再一次为幽灵粒子提出存在证据。
幽灵粒子真的证实存在?简单来说,研究人员在 MiniBooNE 实验中,朝装有 800 吨矿物油的检测器发射缈微中子束(muon neutrino)与反微中子束(antineutrino)去与目标物质碰撞,最终检测到超出预期的数百个电微中子(electron neutrino)。
由于每种微中子在产生及探测时都具有明确的味,不过传播过程中会发生味间振荡,比如在某个地方产生的电微中子于另一个地方被探测到时,可能变为缈微中子或涛微中子,研究人员表示,上述实验异常结果很可能就是惰性微中子存在迹象,理论上,它们可以参与正常微中子作用并改变振荡幅度,导致更多缈微中子变成电微中子。
这次新实验让物理学家们期待不已,《Gizmodo》报导,如果惰性微中子真的被证实,将是自 2012 年大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子后,再度发现的一个全新基本粒子,同时也是第一个在标准模型外的粒子,纽约大学理论物理学家 Neal Weiner 表示,由于超越标准模型,证据通关门槛将会非常高。
如果惰性微中子存在,将粉碎自 1975 年以来主导粒子物理学领域的标准模型,最终重建一个全新宇宙学模型,科学家推测,暗物质很有可能就是由一种(或多种)粒子物理标准模型以外的新粒子所构成。
这篇新研究尚未于期刊正式发布,但你可以先在论文预印本网站 arXiv 上阅读全文。
(首图为 MiniBooNE 实验检测器内部,来源:wikipedia)
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