重大物理實驗,科學家可能發現假想基本粒子「惰性微中子」

作者 | 發布日期 2018 年 06 月 08 日 19:44 | 分類 天文 , 尖端科技 , 材料、設備 follow us in feedly

微中子是宇宙中繼光子後第二常見的基本粒子,我們目前已知 3 種微中子存在,但假定的微中子「惰性微中子」還是個未被發現的幽靈人物,一旦身分證實,將改寫自 1975 年以來主導粒子物理的標準模型,並進一步解開可能由新粒子構成的暗物質謎團。現在,美國 MiniBooNE 實驗即將發表一份為惰性微中子「正名」的新論文,讓物理學界興奮不已。



在粒子物理標準模型中,已知有三種味的微中子:電微中子(νe)、緲微中子(νμ)以及濤微中子(ντ),微中子是宇宙中最豐富的粒子之一,但它們不帶電荷、比原子還要小,每秒可能有數不清的微中子通過你的手指尖,但它們只參與弱交互作用,不會與你身體的其他物質打招呼,因此很難被發現。

微中子種類最好的測定結果來自觀測 Z 玻色子衰變,這種粒子衰變會產生各種類型的輕微中子及對應的反微中子,產生的輕微中子種類越多,Z 玻色子壽命越短。

雖然從標準模型中 6 種夸克與 6 種輕子的對應關係推測,實際上可能只有 3 種微中子,但過去一些實驗讓部分物理學家相信還有第 4 種更神秘的微中子類型存在:惰性微中子(sterile neutrino),它不能通過觀測 Z 玻色子衰變確定、也不會參與弱交互作用(只參與重力交互作用,因此得名幽靈粒子),但可以通過微中子振蕩產生。

最早揭示惰性微中子可能存在的是美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的「液閃爍器微中子探測器(Liquid Scintillator Neutrino Detector,LSND)」,只不過除了美國費米國立加速器實驗室(Fermilab)的MiniBooNE 實驗異常數據曾試著佐證外,後續許多實驗結果都與 LSND 相矛盾,最令人沮喪的是南極 IceCube 微中子探測器在分析 10 萬次微中子事件後,於 2016 年宣布完全檢測不到惰性微中子。

另有美國太空總署的人造衛星「威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,WMAP)」專門探測宇宙大爆炸後殘留的輻射熱,其觀測數據也可同時兼容於 3 或 4 種微中子,所以,惰性微中子究竟存不存在一直是個熱門話題。

直至去年為止,還有論文強烈質疑不會有惰性微中子,但現在來自 MiniBooNE 實驗的 47 名物理學家共同發表新論文,再一次為幽靈粒子提出存在證據。

幽靈粒子真的證實存在?

簡單來說,研究人員在 MiniBooNE 實驗中,朝裝有 800 噸礦物油的檢測器發射緲微中子束(muon neutrino)與反微中子束(antineutrino)去與目標物質碰撞,最終檢測到超出預期的數百個電微中子(electron neutrino)。

由於每種微中子在產生及探測時都具有明確的味,不過傳播過程中會發生味間振盪,比如在某個地方產生的電微中子於另一個地方被探測到時,可能變為緲微中子或濤微中子,研究人員表示,上述實驗異常結果很可能就是惰性微中子存在跡象,理論上,它們可以參與正常微中子作用並改變振蕩幅度,導致更多緲微中子變成電微中子。

這次新實驗讓物理學家們期待不已,《Gizmodo》報導,如果惰性微中子真的被證實,將是自 2012 年大型強子對撞機(LHC)發現希格斯玻色子後,再度發現的一個全新基本粒子,同時也是第一個在標準模型外的粒子,紐約大學理論物理學家 Neal Weiner 表示,由於超越標準模型,證據通關門檻將會非常高。

如果惰性微中子存在,將粉碎自 1975 年以來主導粒子物理學領域的標準模型,最終重建一個全新宇宙學模型,科學家推測,暗物質很有可能就是由一種(或多種)粒子物理標準模型以外的新粒子所構成。

這篇新研究尚未於期刊正式發表,但你可以先在論文預印本網站 arXiv 上閱讀全文

(首圖為 MiniBooNE 實驗檢測器內部,來源:wikipedia