【原】人類所想象的最微小的現(xiàn)實，物理學(xué)家研究的基本粒子，是有是無？

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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2019年的諾貝爾獎公布時，天文在線從過去的諾貝爾獎中挑選出他們最喜歡的一個獎項。Tushna委員會在這件事中有所爭論，在他們看來，2015年表明中微子擁有質(zhì)量的諾貝爾獎項——中微子振蕩發(fā)現(xiàn)獎，才是應(yīng)該被挑選出來的那一個。

斯諾地球儀：全盛時期的薩伯德里微中子觀測站（圖源：斯諾）

我一直都對中微子很著迷，那些調(diào)皮的基本粒子們充滿著整個宇宙（你可能只是曾經(jīng)聽過它，但每兩秒就約有65億的中微子從一個如指甲蓋般小的空間里穿過）但是，因為是電中性粒子并且只和那些通過重力或者弱力的物質(zhì)起相互作用，它們很難被人們所發(fā)現(xiàn)。一開始，中微子在89年前被沃爾夫?qū)け＠A(yù)測作“絕望的補(bǔ)救”，補(bǔ)救著不斷上升的貝塔數(shù)據(jù)的衰變，這些所謂的“幽靈粒子”被認(rèn)為偵測無望。事實上，保利自己也認(rèn)為這些幽靈粒子不可能會被偵測到，并為他的說法賭上一箱香檳，人盡皆知。”我做了一件可怕的事情，我假設(shè)了一個永遠(yuǎn)都不會被發(fā)現(xiàn)的粒子。”

中微子。

當(dāng)弗雷德克和克萊德·考恩在1956年發(fā)現(xiàn)了由核反應(yīng)堆發(fā)射的反中微子時，保利顯得很開心，即使他的賭言被打破了。弗雷德克和克萊德的這個發(fā)現(xiàn)，獲得了1995年的諾貝爾物理獎。實際上，中微子天文學(xué)在諾貝爾獎中是一個十分受待見的話題，1988年這個獎項聯(lián)合授予萊昂·萊德曼，梅爾文·施瓦茨和杰克·斯坦伯格三人“通過對μ子中微子的發(fā)現(xiàn)來證實中微子束法和輕子的雙重態(tài)結(jié)構(gòu)“；無獨有偶，2002年時，有一半的諾貝爾獎授予了小雷蒙德·戴維斯和Masatoshi Koshiba對天體物理學(xué)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)，特別是對探測宇宙中微子的貢獻(xiàn)。

但是中微子諾貝爾最令我著迷的是2015年頒布給阿瑟·B·麥克唐納和高崎佳田“對中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)從而表明中微子具有質(zhì)量”這一成就?？?，早先的中微子理論也認(rèn)為中微子是沒有質(zhì)量的微粒，然而，到了1957年，一位意大利物理學(xué)家布魯諾·蓬泰科爾沃已經(jīng)開始思考關(guān)于存在多種類型中微子（或稱“香味”電子、μ和τ）的可能性，還有認(rèn)為它們可以改變，或者從一個粒子到另外一個粒子“振蕩”。在1962年。對多種類型中微子的假設(shè)在美國布魯克海文國家實驗室被皮曼·施瓦茨和斯坦伯格觀測到電子和μ子中微子的存在，而τ子中微子也最終在2000年的時候被確認(rèn)發(fā)現(xiàn)。

但是，一個相當(dāng)令人毛骨悚然的難題——關(guān)系著“太陽中微子問題”也應(yīng)運而生了。一個由物理學(xué)家XX和XX著手的實驗在南達(dá)科塔州的霍金金礦進(jìn)行，在實驗過程中，他們只探測到了大約百分之三十的太陽中微子數(shù)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于他們對太陽光度所得出來的應(yīng)擁有的太陽中微子數(shù)量本身。唯一用來解釋這個現(xiàn)象的說法（除了人們擔(dān)心了一段時間的太陽本身正在消亡之外）就是太陽中微子在不同的味道之間振動，就像它們從太陽到地球上。霍金的這個實驗（只能探測電子中微子）因此也只能獲得實際實際數(shù)量的三分之一。這個解決方案的一個直接后果，就是中微子必然是具有著質(zhì)量，才使得這些振蕩的發(fā)生——但這個結(jié)果與對粒子所進(jìn)行物理預(yù)測出來的標(biāo)準(zhǔn)模型是相悖的，因為它們是無質(zhì)量粒子。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型，最后一行的綠色粒子為中微子，他們的質(zhì)量目前未知。（圖片來源：維基百科）

這也就是為什么我覺得中微子如此有趣的原因之一

——標(biāo)準(zhǔn)模型雖然不能解釋諸如引力、暗物質(zhì)和能量以及物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱等一些相當(dāng)重要的現(xiàn)象，但卻是最成功和最普遍的現(xiàn)象之一。而截止到目前為止，粒子物理學(xué)的理論也一直都被證明是正確的。后來，為了查明原因，中微子物理學(xué)家們跳出標(biāo)準(zhǔn)模型的范疇，對他們來說，這個決定勢必會是一個相當(dāng)令人興奮的前景。而這些中微子振蕩的證據(jù)，以及它們的質(zhì)量，都是一段長久的奮斗，也是卡吉塔和麥克唐納能夠在2015年獲得諾貝爾獎的原因。

卡吉塔和他的同事是日本超級神岡實驗的參與人員，在1998年的實驗數(shù)據(jù)顯示，來自地球?qū)Π兜碾娮雍挺套又形⒆拥谋壤遣煌?，這表情中微子在長距離移動時會改變味道，穿過地球。一開始，物理學(xué)家們是能夠用實驗表明中微子確實具有質(zhì)量，雖然只有0.1eV。一年過后，由麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的薩德伯里微中子觀測站（斯諾）開始收集數(shù)據(jù)，并且能夠確定在太陽中產(chǎn)生的電子中微子，有多少在到達(dá)地球時會變成μ子中微子或τ中微子。斯諾的詩句證實了一個事實——當(dāng)中微子到達(dá)地球時，三分之二的太陽電子中微子會改變味道。

日本的超級神岡探測器，在實驗初期（1996年）往探測器內(nèi)灌水。(圖片來源：東京大學(xué)）

雖然中微子科學(xué)在兩個實驗之后的幾年里有了很多的進(jìn)步，但仍存在許多問題，包括我們?nèi)匀徊恢廊N中微子味道的確切質(zhì)量，或者它是如何達(dá)到這個質(zhì)量的。在2015年獎項頒布的隔天，我寫了一個博客。講的是今天當(dāng)我們涉及到物理界的一些大且未知的問題時，為什么提升我們對中微子質(zhì)量的理解是如此重要，更吸引你去讀這篇博客的是，我前面提到的關(guān)于更多標(biāo)準(zhǔn)模型問題的答案，可能就在于一個尚未被發(fā)現(xiàn)但我們長期垂涎已久的一種被稱為無菌中微子的第四種中微子。而你只需要閱讀那個博客，就能找到更多的信息。不過，我確實希望我已經(jīng)為我為何如此著迷中微子諾貝爾獎提出了一個很好的理由。另外，不管怎樣，我將留給你們物理學(xué)家弗雷德里克·賴因斯曾經(jīng)描述中微子的迷人話語，即”人類所想象的最微小的現(xiàn)實”。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學(xué)名詞

3. physicsworld- BUIBUI

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