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中微子发现六十周年,我们对它了解了多少

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:7

    中微子发现六十周年,我们对它了解了多少

    1930年,沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)提出可能存在一种电中性的新粒子,其质量极小或者为零,而且极难与物质发生相互作用。后来,恩里科·费米(Enrico Fermi)将这种性质奇特的粒子命名为“中微子”(neutrino,即“微小的电中性粒子”之意)。

    尽管中微子数量极大,但是科学家们花了26年的时间才得以确认其存在。在随后的60年间,他们一点点地揭开了这种粒子的神秘面纱。

    “似乎每到一个节点,我们都要花十年甚至二十年的时间来设计并建造新的实验设备,从而才能继续探测中微子的下一种性质,”来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室能源部的中微子研究人员基思·里拉格(Keith Rielage)如此说道,“一旦有了新的发现,我们常常会摸不着头脑,因为中微子的性质总是出乎我们的意料。可以说,从一开始,中微子就从未让我们缺乏惊喜。”

    现在我们知道,中微子其实有三种类型,或者说“味道”(flavor),即电子中微子、μ中微子和τ中微子。此外,中微子在传播的过程中,可以在不同的味道之间发生转化,或者说“振荡”。正是由于中微子可以发生振荡,我们才知道它们必然具有质量。(电子中微子、μ中微子和τ中微子称为中微子的“味道本征态”,它们通过弱相互作用与电子、μ子和τ子发生作用,中微子产生时以“味道本征态”的形式出现。每种味道的中微子同时是三种 “质量本征态”的叠加,中微子的质量本征态具有确定的质量。不同味道的中微子在传播时可以发生转化,意味着相应的质量本征态的叠加方式发生了变化,也就是说在传播过程中三种质量本征态的相位变化步调有差异,从而意味着它们质量的平方差不为零,因此说中微子振荡意味着它们具有质量。)

    然而,关于中微子的大量谜团仍然尚未解开,这需要全世界科学家和实验设备通力合作,共同寻找答案。

    能量缺失之谜

    泡利提出中微子假说是为了试图解决β衰变的能量守恒问题。β衰变有几种,其中常见的一种是原子核里的一个中子衰变为一个质子并释放出一个电子的过程。不稳定原子经过β衰变可以变得更稳定。

    如果中子仅仅衰变为一个质子及一个电子,那么产生的质子和电子应该具有固定的能量,而实验却发现释放出的电子可以具有一系列不同的能量。为了解释这一现象,泡利认为必然还有一种未知的中性粒子也参与了β衰变。

    “如果β衰变还涉及另外一个粒子,那么系统的总能量将分配给这三个粒子,而分配方式并不是唯一的,”美国费米国家加速器实验室能源部的中微子研究人员珍妮弗·拉夫(Jennifer Raaf)说。“这样的话,我们便有时可以探测到能量较高的电子,有时则是能量较低的电子。”

    在20世纪50年代初期,洛斯阿拉莫斯实验室的物理学家弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines)及其同事克莱德·考恩(Clyde Cowan)开始试图探测这种微小、中性,且相互作用极弱的粒子。

    当时,中微子被视为神秘的“幽灵粒子”:它遍布我们周围,却直接穿透各种物质,还会在β衰变中带走能量。因此,莱因斯和考恩探测中微子的研究被称为“鬼驱人计划”(Project Poltergeist,1982年有一部美国电影叫Poltergeist,译为《鬼驱人》)。

    “这个计划的名字听起来还是很贴切的,因为他们本质上也是在试图驱除一种幽灵,” 里拉格说道。

    捕获幽灵粒子

    “发现中微子的故事非常有趣,并且从某些方面说,这个故事只能发生在洛斯阿拉莫斯国家实验室。” 里拉格说。

    整个故事开始于20世纪50年代初期。在洛斯阿拉莫斯工作的莱因斯此时已经领导了几项在太平洋测试核武器的项目,他很想在测试核武器的同时研究一些基本的物理问题。理论上,一次核爆可以产生数目极大的反中微子,于是,莱因斯就想设计一个实验来对其进行探测,他说服了在洛斯阿拉莫斯的同事考恩和他一起设计这种实验。

    莱因斯和考恩最初的设想是在大气层核爆实验点附近的矿井中放置一个大型液体闪烁探测器,不过后来他们有了更好的主意:将探测器放在核反应堆附近。

    然后,在1953年,莱因斯和考恩带着含有300升液体的探测器“Herr Auge”(德语,意为“眼睛先生”)来到了位于华盛顿州汉福德的大型裂变反应堆。

    莱因斯和考恩发现,在反应堆开启后,类似中微子的信号的确比反应堆关闭时略微增强了一些,但是噪声实在是太强了,他们不能完全确定这个小的信号来自于中微子。尽管探测器的防护层可以屏蔽来自反应堆的中子及γ射线,但是它却不能阻碍来自太空的宇宙射线。

    在其后一年,莱因斯和考恩对他们的探测器进行了全新的设计,新的探测器具有三层堆叠式结构,可以清晰地区分中微子信号与宇宙射线背景信号。在1955年末,他们带着新的10吨探测器再次出发,前往位于南卡罗来纳州萨瓦那河电厂的强大裂变反应堆。

    五个多月的时间里,莱因斯和考恩不断地搜集数据并分析结果。在1956年6月,他们终于给泡利拍了一份电报:“我们很高兴地通知您,我们确定无疑地探测到了中微子。”

    解开下个谜团

    20世纪60年代,一个新的中微子谜团出现了,这次始于南达科他州的一个金矿井中。

    来自美国布鲁克海文国家实验室能源部的核化学家雷·戴维斯(Ray Davis)当时已经设计了一个用于探测产生自太阳的中微子(又称为“太阳中微子”)的实验,它的主体是一个大型氯基探测器,安置于霍姆斯特克矿井地下一英里处,以屏蔽来自宇宙射线的干扰。(译注:此处的“太阳中微子”,以及下文提到的“大气中微子”、“地球中微子”是以中微子的产生来源来命名的,此外还有产生自核反应堆实验的“核反应堆中微子”、产生自粒子加速器的“粒子束中微子”等。)

    在1968年,戴维斯的实验首次探测到了太阳中微子,但实验结果却令人困惑。在此之前,天体物理学家约翰·巴考尔(John Bahcall)已经在理论上计算了预期的太阳中微子流量,也就是在一段时间一定区域内应当探测到的中微子数目。然而,实验探测到的中微子数目仅有理论预言值的三分之一左右,这个偏差后来被称为“太阳中微子消失之谜”。

    起初,科学家们认为要么是戴维斯的实验除了问题,要么是太阳模型存在问题,但是他们在两边都没有检查出什么错误。逐渐地,科学家开始怀疑问题其实出在中微子身上。

    “中微子总是会给我们带来惊喜,” 里拉格说道,“我们以为事情很简单,但事实却并非如此。”

    科学家们提出了中微子可能会发生振荡的理论假说,也就是说在它们传播的过程中,可以从一种类型转化到另一种类型。如果中微子可以振荡,那么太阳中微子在到达地球时便会成为三种类型中微子的混合,而戴维斯的实验仅仅对探测其中的电子中微子敏感,这也就解释了为什么他的实验只探测到理论预言数目的三分之一。

    1998年,日本超级神冈实验(Super-Kamiokande)首次探测到大气中微子(宇宙射线与大气中的粒子发生相互作用产生的中微子)的振荡。2001年,加拿大萨德伯里中微子天文台(Sudbury Neutrino Observatory,简称SNO)宣布发现太阳中微子振荡的首个证据,并在2002年给出确切证据。至此,在经历30多年后,科学家终于确认中微子可以发生振荡,从而也解决了太阳中微子消失之谜。超级神冈实验的梶田隆章和萨德伯里中微子天文台的阿瑟·麦克唐纳也因此获得2015年的诺贝尔物理学奖。

    “中微子可以振荡,这件事听起来很有趣,但更重要的是这意味着中微子必定具有质量,”来自加利福尼亚大学伯克利分校的中微子研究人员加布里埃尔·奥雷比·甘恩(Gabriel Orebi Gann)如此评论道,他同时在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室工作,也是加拿大SNO合作者,“这是一件大事,因为在标准模型的范畴内,中微子是没有质量的。”

    标准模型之外的疑难

    描述基本粒子及其相互作用的理论模型——标准模型——并没有包含赋予中微子质量的机制。因此,中微子具有质量,就把本来极为精确地描述亚原子世界的近乎完美的标准模型敲开了一道裂缝。

    “现在最重要的是看整个模型哪些部分可以经受实验的检验,哪些部分还需要补充额外的信息,”拉夫说。

    在经过整整60年的研究后,中微子的一些疑难问题仍然尚未得以解决,而这可能会为我们打开一扇通往超出标准模型的新物理的窗口。

    中微子反粒子之谜

    中微子很特别的一点是,它有可能是自身的反粒子。“目前我们已知的唯一可以区分物质与反物质的因素是电荷,” 奥雷比·甘恩说,“然而中微子是不带电的,因此一个显然的问题是,中微子及其反粒子会有什么样的区别?”

    如果中微子并非自身的反粒子,那么必然存在电荷之外的性质来区分物质与反物质。“我们目前还不知道这种性质是什么,我们将会称其为一种新的对称性。”奥雷比·甘恩如此评论道。

    科学家们正试图通过搜寻“无中微子双β衰变”来确定中微子是否是其自身的反粒子。在这种实验中,科学家会搜寻两个中子同时衰变为质子的事例。标准的双β衰变会产生两个电子及两个反中微子;然而,如果中微子是其自身反粒子,那么产生的这两个反中微子就可以发生湮灭,从而只有电子从衰变中产生出来。

    一些筹备中的实验设备将搜寻这种无中微子双β衰变,其中包括加拿大SNO+实验、意大利格兰萨索国家实验室的CUORE实验、美国位于新墨西哥州废物隔离试验厂的EXO-200实验,还有建在美国南达科他州霍姆斯特克矿井中的桑福德地下研究设施MAJORANA实验,这个矿井也就是戴维斯进行著名的太阳中微子实验的那个矿井。

    中微子质量顺序之谜

    当前我们知道中微子具有质量,并且三个质量本征态稍有不同,但是我们并不知道哪个质量本征态是最重的,而哪个又是最轻的。科学家试图通过研究中微子长距离振荡来解决这个问题。

    这种实验通过加速器产生一束中微子,并将其穿过地球送往很远以外的探测器。这种长基线实验包括日本的T2K实验、美国费米实验室的NOvA实验以及计划中的深地中微子实验(DUNE)。

    中微子绝对质量之谜

    为了测量中微子的绝对质量,科学家们回到了最初确定中微子存在的反应——β衰变。德国的KATRIN实验试图通过研究氚(氢的一种同位素)的β衰变来直接测量中微子质量。

    不止三种类型的中微子?

    科学家们还假设了另外一种相互作用更弱的“惰性”中微子。为了寻找这种中微子存在的证据,科学家们正在研究短距离运动的中微子。

    作为费米实验室短基线中微子计划的一部分,科学家们将利用三种探测器搜寻惰性中微子,包括短基线中微子探测器、MicroBooNE以及ICARUS(这是一台曾经在意大利格兰萨索运行的中微子探测器)。格兰萨索还将启动另一个被称为SOX的实验来搜寻惰性中微子。

    中微子是否会破坏“电荷宇称对称性(CP)”?

    科学家们也在试图通过长基线实验来搜寻CP破坏。如果宇宙大爆炸时产生了等量的物质与反物质,那么它们应该已经湮灭殆尽了;而事实是宇宙中剩余了普通物质,这表明某些机制导致了物质多于反物质。如果中微子可以破坏CP对称性,那么它可能可以解释物质的超出机制。

    “正是这些未解之谜让中微子如此激动人心,” 里拉格说。“现在留下的问题都非常棘手,但正如我们常常开玩笑说的那样,如果问题简单的话,早就有人已经解决了。这也是我喜欢中微子的原因,因为我们只能从未知中搜寻答案。”

    中微子研究简史

    1930年 泡利提出中微子假说,用以解释β衰变中的能量缺失问题。

    1934年 费米提出包含该粒子的理论,并将其命名为“中微子”(neutrino,意大利语中“微小的电中性粒子”之意)。同年,汉斯·贝特(Hans Bethe)和鲁道夫·派尔斯(Rudolf Peierls)通过计算得出中微子与物质的相互作用极其微弱,因而认为无法通过实验对中微子进行观测。

    1956年 由弗雷德里克·莱因斯和克莱德·考恩领导的研究组通过观测萨瓦纳河电厂核反应堆产生的电子反中微子,首次得到中微子存在的确切证据。

    1957年 布鲁诺·蓬泰科尔沃(Bruno Pontecorvo)提出中微子振荡假说,认为中微子可以从一种类型转化到另一种类型。

    1958年 美国布鲁克海文国家实验室的科学家确认中微子总是具有左手螺旋性(也就是说自旋方向与运动方向相反)。

    1962年 由Leon Lederman,Mel Schwartz和Jack Steinberger领导的研究组在布鲁克海文国家实验室发现第二种类型的中微子,μ中微子。

    1968年 化学家雷·戴维斯率先开始探测由太阳产生的电子中微子。然而,他在位于霍姆斯特克矿井中的实验设备观测到的太阳中微子数目仅仅是太阳模型所预言的三分之一,从而引发“太阳中微子消失之谜”。

    1973年 位于欧洲核子研究中心的加尔加梅勒研究组的科学家首次观测到中微子-电子散射时产生的中性流,这表明一种新的相互作用媒介粒子的存在,并在后来被证实为Z玻色子。

    1975年 来自美国SLAC国家加速器实验室的Martin Perl及其同事首次观测到带电τ子,随后科学家便预言了τ中微子的存在。

    1985年 日本神冈实验及美国IMB实验在探测宇宙射线与大气中粒子相互作用时产生的大气中微子时,发现μ中微子与电子中微子的比例要比理论预言的小,这便是所谓的“大气中微子反常”现象。

    1987年 日本神冈实验及美国IMB实验首次探测到超新星1987A释放的中微子。

    1988年 利昂·莱德曼(Leon Lederman)、梅尔·施瓦茨(Mel Schwartz)及杰克·施泰因贝格尔(Jack Steinberger)由于发现μ中微子而被授予当年的诺贝尔物理学奖。

    1989年 来自欧洲核子研究中心和美国SLAC国家加速器实验室的科学家宣称,有证据表明只存在三种类型的轻型中微子,即电子中微子、μ中微子和τ中微子。

    1995年 莱因斯由于发现电子中微子而分享了当年的诺贝尔物理学奖(译注:莱因斯当年的合作者克莱德·考恩已于1974年离世,享年54岁,因此未获奖)。

    1998年 日本超级神冈实验宣布发现中微子振荡的首个证据,这表明中微子具有质量。实验显示了当大气μ中微子从产生点飞往地下探测器时的消失现象。

    2000年 费米国家加速器实验室DONUT实验组的科学家首次观测到第三种类型的中微子——τ中微子。

    2001年 加拿大SNO实验组宣布发现太阳中微子振荡的首个证据。

    2002年 SNO实验组发布太阳中微子振荡的确切证据。同年,雷·戴维斯与小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)由于首次探测到中微子的宇宙来源而被授予当年的诺贝尔物理学奖。

    2004年 日本神冈实验宣布在记录核反应堆产生的反中微子时观测到电子反中微子的再现,从而表明反中微子也可以发生振荡。

    2005年 神冈实验室宣布首次发现地球中微子,也就是在地球内部产生的中微子。

    2010年 意大利格兰萨索国家实验室的OPERA实验组首次在μ中微子束中探测到一个τ中微子。表明μ中微子在从欧洲核子中心到格兰萨索的途中发生了振荡。

    2015年 超级神冈实验组的梶田隆章及SNO实验组的亚瑟·麦克唐纳由于在探测中微子振荡方面的突出贡献而荣获诺贝尔物理学奖。

    撰文 阿梅利亚·威廉森·史密斯(Amelia Williamson Smith)

    翻译 杜立配

    原文链接:https://www.symmetrymagazine.org/article/the-neutrino-turns-60

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