未解微中子之謎:質量來源、超乎模型預測的高能量

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 11 日 12:30 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


幽靈粒子「微中子」至今依然籠罩在重重謎團之下,科學家還在想它們的極微小質量從何得來、以及為何南極洲的 2 個微中子實驗台的觀測結果有出入。

微中子(neutrino)很奇怪,它們數量龐大,一場超新星爆發約產生約 10^57 個微中子,或者每秒鐘可能有數十億個微中子無聲無息穿越你的身體,但它們不參與強交互作用以及電磁交互作用,以至於你根本無法察覺。

在最初的粒子物理標準模型中,微中子是種靜質量為零的粒子,直到 20 年前,科學家才確認微中子具有質量,只是和其他粒子可以說微不足道,去年,科學家更首度界定出微中子的最大質量上限,比電子還要輕 1,000 萬倍。

然而微中子從哪裡得到質量?這是粒子物理學標準模型中最令人困惑的問題之一。

檢測微中子又是另一大挑戰,目前探尋微中子的設備並非直接檢測微中子,而是等待微中子撞擊探測器內(裝滿純水)的原子,產生帶電輕子如:電子、介子等,後者發出光,接著再通過檢測光或輕子,我們才知道幽靈粒子微中子已經與探測器發生相互作用。

目前最好的微中子探測器之一是位於南極洲冰下的 IceCube 微中子觀測站,由於冰層更容易吸收各種雜散粒子(如宇宙射線、伽馬射線),可以避免敏感探測器被干擾,確保檢測到的事件來自微中子。

不過除了 IceCube,南極洲還有另一個利用氦氣球懸掛在離地 35,000 公尺高空的微中子實驗台,稱為南極瞬態脈衝天線(ANtarctic Impulsive Transient Antenna,ANITA),利用另一種方式來探測微中子:當高能微中子撞擊冰層後會發射出無線電脈衝(稱為阿斯卡萊恩效應),

奇怪的是,ANITA 探測到的微中子強度比 IceCube 檢測到的還要高數百倍,照理說若有強大天體物理事件朝地球方向射出微中子流,則 IceCube 應該也能檢測到相同事件,然而事實上, IceCube 找不到與 ANITA 同時發生的微中子爆發事件。

科學家表示,這有 2 種可能性,一種是 ANITA 設計有缺陷而誤報,另一種是這些高能微中子事件由標準模型之外的過程所引起,因為根據目前的粒子物理標準模型,沒有辦法產生如此高能量的微中子。

世界各地已經準備推出新一代微中子設備投入檢測,包括美國的深層地底微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)、日本的超巨型神岡探測器(Hyper-Kamiokande,縮寫 HK)、以及南極洲的精密冰立方微中子觀測站(PINGU);理論方面,目前科學家也已完成緲子對撞機的關鍵實驗,如果有朝一日打造出緲子對撞機,就能進一步分析微中子。

(首圖來源:Flickr/Anthony Ross CC BY 2.0)

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