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澳门威尼斯同样可以送给今天粒子物理学的标准模型

五月 2nd, 2019  |  科学

味道变换

标准模型对中微子描述的第一道裂缝,出现在16年前。在那之前,很多物理学家都跟随标准模型,假设中微子没有质量。但是到了1998年,日本的超级神冈实验证实情况并非如此。中微子总是偏爱和电子、μ子和τ子中的某一种一起被发射和吸收,就像我们喜爱特定口味的冰淇淋一样。因此,它们也被相应地分成3种味(flavour):电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。超级神冈研究了来自不断轰击地球大气层的宇宙线中的μ子中微子,发现它们能够在穿透地球的过程中变身为电子中微子。其他一些实验则对核反应堆、粒子加速器及太阳核衰变过程中产生的中微子进行了探测,同样证实了这种现象的存在。无论中微子发射出来时属于那一种,在传播过程中都会变成什锦冰淇淋一样的味道混合体,每个冰淇淋球都包含了所有的3种味道。按照量子力学,要想这种变换有可能发生,中微子必须具有质量。实际上,我们现在认识到,每种味的中微子在传播过程中都会变成一个周期变化的混合态,而且这3种混合态各不相同。

这就给我们出了个难题。“中微子质量告诉我们标准模型需要被拓展,但它没有告诉我们如何去拓展,”美国亚利桑那州立大学的理论物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence
Krauss)说。与之相对,某些大统一理论,即那些希望更进一步统一除引力之外所有自然力的尝试,确实预言了有质量的中微子。因此,准确确定中微子的质量,能帮助理论物理学家判断,哪种理论值得追随。“人们对这些大统一理论已经猜了几十年,它们对粒子质量各有各的解释,”美国麻省理工学院的乔·福尔马焦(Joe
Formaggio)评论道,“但如果你弄出个理论来解释质量,总得有个实际质量作为参照吧。”

测量一个能轻易穿透一光年厚铅板的不可见粒子,这说起来容易做起来难。捕捉中微子是个耐心活,要用足够大的探测器,还要盯足够长的时间,直到那极其微小的相互作用概率终于显现一次。用这样的方法,我们已经在两个截然不同的尺度上追踪到了中微子:亚原子世界和浩渺宇宙。70年前,恩里克·费米(Enrico
Fermi)就预视到,可以通过测量β衰变来测量中微子的质量。在一个典型的β衰变中,原子核内的一个中子变成质子,同时放射出一个电子和一个电子反中微子。尽管反中微子无法直接探测到,费米却勾勒出一种方法,通过伴随电子的能量和动量,推测出这个反中微子的质量。但是,由于中微子的质量实在太轻,直到目前,我们仍没有达到所需的探测灵敏度。不过,德国卡尔斯鲁厄理工学院正在搭建一台名为KATRIN的极为灵敏的实验装置,有可能在未来几年将第一个测出中微子质量的荣誉揽入怀中。

与此同时,对中微子质量的另一个严格限制来自宇宙:粒子会在各种地方留下自己的指纹——在大爆炸和超新星爆发产生的元素混合中,在宇宙膨胀速率中,在微波背景辐射中,抑或是在物质聚合成星系和星系团的过程中。

众多宇宙学测量的结果综合表明,3种中微子的质量加起来不能超过0.3电子伏特(eV),仅有质量排名倒数第二的电子质量的不足百万分之一。美国费米实验室的宇宙学家斯科特·都德尔逊(Scott
Dodelson)感叹道,“对我而言,通过观察所有的星系和星系团,竟然能探测出如此微小粒子的质量,实在是激动人心。”英国牛津大学的弗兰克·克洛斯(Frank
Close)则认为,我们应当用心对待这些蛛丝马迹,“我们还没明白这一切有多妙不可言”。2013年出炉的、对普朗克空间天文台宇宙微波背景辐射观测结果的分析,进一步修正了我们对3味中微子质量之和的限制。

要从这个质量之和里区分出单独某味中微子的质量非常困难,因为它们总是处在不断变换之中。不过测量这种振荡也可以给我们提供参考,对目前最佳数据的分析给出最轻的中微子质量大约在0.05电子伏特。

不过事情并未水落石出。“为什么与其他东西比起来,中微子的质量小得如此出奇,这仍是怪事一桩,”克洛斯解释说,“似乎它们本来想无事一身轻,但被宇宙算计了。”

好像这3种“正常”中微子还怪异得不过瘾似的,某理论甚至提出,可能还有一种或几种“惰性”(sterile)中微子,暗暗跟随着它们。正常中微子还能感受到弱核力,因此可以和原子核中的粒子偶然相互作用一下,惰性中微子却不同——它们只能感受到引力,从而完全不与普通物质发生相互作用。惰性中微子对理论物理学家颇有魅力,因为发现它们就可以跳出标准模型的樊篱,而且不仅可以解释暗能量,甚至能直达物质本源问题。“它们还有可能参与了标准模型之外、我们迄今还没发现的新的基本相互作用,”费米实验室的理论物理学家鲍里斯·凯瑟(Boris
Kayser)补充说。

澳门威尼斯 1日本的超级神冈中微子探测器,发现了标准模型对中微子描述的第一道裂缝。图片来源:qiwencun.com

很多新的理论希望填补这些缺陷,这其中包括大统一理论、超对称和弦论。它们当中的某一个,或许解释中微子为何如此奇异,从而拔得头筹。反过来,中微子本身则会告诉我们,哪个理论才是众望所归。

消解这些难题需要新的物理。研究者曾寄希望于希格斯粒子,但由于希格斯粒子目前表现得基本上中规中矩,也许通向标准模型之外的物理新世界的钥匙并不在它身上,而藏身于另一种粒子:中微子。

追梦逐幻

无中微子双β衰变的另一个诱人之处在于,中微子的质量会影响该反应的速率,让我们得以同时确定中微子的质量。“你可以一箭双雕,一手抓住最轻中微子的质量,一手证明中微子是马约拉纳粒子,”加拿大女王学院的粒子天体物理学家阿特·麦克唐纳(Art
McDonald)对此充满期望。

眼下,只有一个小组声称观察到了无中微子双β衰变,这个俄-德合作小组在2002年发表了对锗原子衰变的研究工作,但其他实验都未能再现他们的结果。新的发现来自位于美国新墨西哥州卡尔斯巴的浓缩氙观测站(Enriched
Xenon
Observatory),在那里对一大罐液态氙的探测表明,无中微子双β衰变就算存在,也极其罕见,也许概率小到根本无法探测(参见《物理评论通讯》,第109卷,032505页)。不过尽管如此,极高的回报率仍吸引着多个研究项目在继续寻找这种衰变。

有关中微子还有很多问题可问。美国哈佛大学的理论物理学家、诺贝尔奖得主谢尔顿·格拉肖(Sheldon
Glashow)认为,目前需要的是更多更好的实验。他认为,“现在没什么好研究的,除非我们有一些实验作为向导。”

弗朗西斯·黑尔岑(Francis
Halzen)也同意格拉肖的看法。他是冰立方中微子天文台的负责人,领导着这个在南极冰层下测量穿过地球的宇宙中微子的实验项目。“我们追逐的是与中微子振荡相关的新的物理,这就意味着我们也许会发现中微子具有标准模型之外的相互作用,也许会发现在3种标准中微子之外,还有惰性中微子也参与其中,”他说,“甚至发现完全在我们预料之外的什么东西”。

他们也都指出,目前的问题在于中微子源。接下来的实验计划中有长基线中微子项目,由费米实验室运行。它将发射一束密集中微子,穿过数百公里的地层,到达一个重达数千吨的大型探测器。另一个项目是英国至日本中微子工厂,计划在英国产生密集中微子束轰击在世界另一端位于日本的探测器。这两个实验项目都需要数十年的建造时间和数十亿美元的投入。

不过鲁比亚说,这些都物有所值。“这是一个有可能做出新发现的领域,但是我们不知道新的发现将来自何方,因此必须鼓足功败垂成的勇气,虚心以待。”

 

编译自:《新科学家》,Neutrinos – the next big small thing

奇异的盈余

中微子家族中最大的反常之处,始于20年前的几缕闪光。它们出现在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁中微子探测器(LSND)之中,每个闪光都代表一个中微子穿过了探测器装得满满的巨大油罐。这些闪光揭示出,自30米外的粒子加速器飞奔到油罐的过程中,有超出预期数目的μ子反中微子转变成了电子反中微子。

对此盈余的主流解释认为,在传播过程中,这些反中微子会变身为无法探测的“惰性”中微子,这就给转变提供了另一条通道。截至1998年LSND项目结束,这个盈余一直存在,而且达到可观的3.8个标准差,虽不足以直接证实存在惰性中微子,作为间接证据已绰绰有余。“我们得到了一个令人吃惊的结果,”洛斯阿拉莫斯实验室的比尔·路易斯(Bill
Louis)回忆道,他就曾效力该实验。

不过,如果不是后继的一连串类似发现,LSND出现的反常也许早就被人抛诸脑后了。

费米实验室的研究人员建造了MiniBooNE来检验LSND的结果。他们先用中微子来做实验,观察μ子中微子转变成电子中微子,但是用了更高的能量和更长的传播距离,接着又换成跟LSND一样的反中微子。得到的结果非常复杂,但同样给出了惰性中微子可能存在的线索。

还有一个实验建议,用完全不同的方式来寻找惰性中微子。对来自太阳的中微子的早期实验探测使用大量的镓,因为太阳中微子能使其转变成可探测的同位素镓。研究人员用已知的辐射源来校准探测器。有两个相互独立的此类实验,分别位于意大利和俄罗斯的地下,都发现来自太阳的中微子比理论模型的预测要少15%,被称为GALLEX和SAGE反常。同样,可能的原因是,某些中微子在到达地球之前,转变成了无法探测的形态。

物质为王

过去几年间,在实验中已经蹦出一连串反常事件,指向一种甚至几种质量大概为1
eV的惰性中微子。这个质量既不满足标准模型,也不在大统一理论的预言范围之内。所以,只要证实它们的确存在,研究者梦寐以求的新物理就唾手可得了。

最近,由近200位中微子专家组成的国际研究小组发表的一篇关于惰性中微子的“白皮书”,折射出大家对此的兴趣正在升温。该白皮书描绘了21个或正在进行、或计划实施、或还在提议中的捕捉惰性中微子的实验。“一大堆研究机构都对此兴奋异常,”欧洲核子物理中心的物理学家、诺贝尔奖得主卡罗·鲁比亚(Carlo
Rubbia)谈到,“我们希望能很快看到进展。”

除了惰性中微子,研究者还在追踪另一项宝藏——寻找中微子和反中微子之间的差异。这将有助于解释,为什么我们这个宇宙中是物质占据了主导。按照目前我们对宇宙学和粒子物理学的最佳理解,物质和反物质在大爆炸中被创造出来,数量应该是相同的。接下来就是一场相互作用的风暴,物质和反物质本应短兵相接,同归于尽,只留下光子充斥整个宇宙。然而很明显,事情并不是这样发生的。“为什么宇宙完全由物质构成,对此我们还没有很好的答案,”美国麻省理工学院的詹尼特·康拉德(Janet
Conrad)评论说,“这实在是个让人很尴尬的问题”。

美国哈佛大学的亚历山大·索萨(Alexandre
Sousa)说:“这大概是关于这个宇宙,我们能提出的最为根本的问题了。中微子能为我们打开一扇窥探这个问题的窗口。”

这扇窗口就是所谓的轻子生成理论(leptogenesis),它依赖于一种被称为CP破缺的现象。所谓CP破缺是说,在你观察一个粒子反应的同时,另一个在镜子中的人观察由这个粒子的反粒子发生的同一种反应,你们看到的反应速率会稍有差别。这种现象在由夸克构成的复合粒子中已经被实验证实,但观察到的速率差别不足以解释为何大爆炸创造的反物质荡然无存。轻子生成理论则假设,在大爆炸后的第一微秒内,年轻而炽热的宇宙包含极重的不稳定惰性中微子,后者很快就发生衰变,其中一些衰变成轻子,剩下的则衰变成这些轻子的反粒子——关键在于,这两种衰变的速率不同,这个差异只需要很小,小到十亿分之一,就可以让物质最终取胜,在消灭所有反物质之后,仍能有足够的轻子留存下来,最终形成质子和中子,继而产生恒星,星系和行星。

人们认为,这些重惰性中微子和它们在标准模型中的同伴,在早期宇宙中相互纠缠难解难分,之后经由一种名为翘翘板机制(see-saw
mechanism)的物理过程,普通中微子在极热的宇宙中通过与这些重伙伴的相互作用,获得了自己轻得离奇的质量。如果这幅轻子生成的图像是正确的,我们就应当观察到中微子和反中微子之间同样存在轻微的差异。

到目前为止,实验物理学家还没有发现任何令人信服的中微子CP反常。美国费米实验室的MINOS项目曾在2010年制造过一场小小的波澜,宣称发现μ子中微子及其反中微子在长距离传输过程中,各自的味道混合方式存在微小差异。但到了2012年,积累了更多数据之后,这个差异又不见了。

不过,瞥见CP破缺的胜算还是不小的。2012年,中国大亚湾核电站中微子实验项目的研究人员对一个名为θ13的参数进行了测量,这个参数描述了中微子如何在不同味之间来回变换。如果θ13数值比较小,就意味着CP破缺很难被发现,如果是零就完全排除了CP破缺的可能性。让研究者宽心的是,测量出来的θ13大得有点让人意外,暗示在实验中发现CP破缺的可能性很大。美国伊利诺伊西北大学的理论物理学家安德烈·德戈维亚(André
de
Gouvêa)说:“我想我们现在已经大局在握了。”第一个详细结果可能会来自于费米实验室的新星(Nova)项目,它建造的卖点就是最有可能探测到中微子CP破缺。用索萨的话说,“新星是未来10年唯一能对此一探究竟的实验。”

不过即便中微子真的表现出CP破缺,故事也没结束。只有当包括惰性中微子在内的所有中微子都是所谓的马约拉纳粒子(Majorana
particles)时,轻子生成理论才会起作用。这意味着,跟标准模型中大多数粒子不同,这些中微子与它们的反粒子完全相同,通过翘翘板机制获得质量。

如果确实如此,我们应该能观测到一种名为无中微子双β衰变(neutrinoless
double beta
decay)的过程,而标准模型对这种过程一筹莫展。在通常的β衰变中,一个中子变成质子,同时放出一个电子和一个电子反中微子。有些原子核则能同时发生两个β衰变,此时应该有2个电子反中微子发射出来。但如果反中微子和相应的中微子完全相同,这两个反中微子就相当于一个中微子-反中微子对。如此一来,刚一发射,它们就会相互湮灭成2个光子,结果整个核反应只产生了2个光子和两个电子。

“无中微子双β衰变是证明中微子就是马约拉纳粒子的目击证人,”美国劳伦斯·伯克利国家实验室的艾伦·蓬(Alan
Poon)解释道,“它能向理论物理学家透露很多信息,提示他们如何修正标准模型,而且它还可以联系到极早期宇宙,关系到为什么物质比反物质要多。”

这些问题包括暗物质的本质,即这种据信占据宇宙80%质量的神秘不可见物质究竟什么?然后还有暗能量,它被认为是宇宙加速膨胀的推手,而粒子物理学家将它的强度高估了10120倍,可谓错得前无古人后无来者。标准模型还无法回答物质如何逃脱大爆炸,如何将引力纳入其中。不仅如此,它还备受所谓“自由参数”(free
parameter)的困扰,这些数值不能由标准模型自身得到,必须人为放进模型中,而且数值也是任意确定的,比如对模型内相互作用强度的设定就是如此。

一鸣惊人

接下来就是最近在核反应堆中发现的反常。通过改进对原子核如何捕获中微子以及核反应产生中微子数量的计算方法,研究人员发现过去30年间有数个实验,其结果比预期探测到的中微子要多,平均多7%。“我们找到这些反常时,脑子里根本没想到惰性中微子,”法国原子能委员会的中微子物理学家蒂埃里·拉塞尔(Thierry
Lasserre)说,“这绝对是个大大的惊喜”。

路易斯检查了MiniBooNE、SAGE、GALLEX和反应堆实验中的反常。“所有结果都与LSND一致,”他说,“这就为寻找惰性中微子模型注入了新的动力”。

美国麻省理工学院的詹尼特·康拉德(Janet
Conrad)和同事最近刚刚发表了一个非常有说服力的模型,能产生与通常的3味中微子相平行的3种惰性中微子。这个新模型解释了在中微子源附近发现的大部分反常现象。“你不能假设只有一种惰性中微子,”康拉德解释说,“我们用3+3得到了非常好的结果,可以很好地解释之前发现的那些中微子的短缺和盈余。我们认为这个模型将一鸣惊人。”

拉塞尔提议用更多的实验来平息争论。他希望在现有的反应堆中再加入一个高密度辐射源。如果这个辐射源能产生质量在1
eV附近的较轻的惰性中微子,它们与可探测的中微子味之间的振荡应当相对更快,“于是你就能看到美妙的振荡图案,”拉塞尔说,“如果这个实验做出来了,要么就有所发现,反之就能确定惰性中微子并不存在。”他希望能在5年之内看到这些振荡,用他的话来说,就是“终结反常”。

 

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扩展阅读

尽管超然于世外,中微子在物理学史上一直有着救场粒子的美名。著名物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang
Pauli)当初构想出这些粒子,就是为了挽救β辐射中能量和动量的守恒。最近,中微子又在解释宇宙中的物质为何远远多于反物质的努力中充当起了先锋,用美国弗吉尼亚理工大学理论物理学家帕特里克·胡贝尔(Patrick
Huber)的话来说,“中微子能让你进入另一个世界,原因很简单,它跟我们这个可见的世界几乎没有多大的相互作用”。

2011年9月,中微子曾一度街知巷闻,当时深埋于意大利大萨索山山体下的OPERA实验项目宣称,测量出中微子的传播速度超过光速,直接违背了爱因斯坦的狭义相对论。6个月之后,这个结果被证实源自实验本身的一处差错。即便闹了乌龙,这些让人着迷的小粒子仍然有很多故事和秘密等待我们去发现。

中微子如幽灵一般,不但神秘而且孤僻,因为它们几乎不与周围的物质世界发生相互作用。有关中微子的这些谜团都超出了标准模型的能力之外。我们目前知道3种中微子,它们看上去井井有条,分别和电子及电子的两个更重的表亲——μ子和τ子组成一对,构成完整的轻子家族。但一开始,标准模型就错误地假设,中微子的质量为0,而且直到今天都无法在模型框架内确定中微子的质量。因此,标准模型也没能预见到中微子能在3种形态之间来回变化,更别说存在更多种中微子的可能性了。

澳门威尼斯 2粒子物理的标准模型,虽然包含了三味中微子,但无法解释它们的质量及许多其他异常现象。图片来源:《新科学家》

(文/Robert
Adler)“王冠下的脑袋总是难以安稳,”莎士比亚的这句话,同样可以送给今天粒子物理学的标准模型。这是迄今为止对物质基元及其相互作用最为成功的描述。最近找到的非常类似希格斯玻色子的粒子,让这个理论更加冠冕堂皇,因为这不仅证实了一个近40年之前的预言,而且填补了这个理论最后的空白。不过我们并未就此满足,反倒更为迫切地希望将标准模型拉下马来,去寻找那些最终必然超越它的崭新物理篇章。“标准模型就是粒子物理学,”诺贝尔奖得主杰克·施泰因贝格(Jack
Steinberger)说,“但很多问题目前仍无望回答。”

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