科学家为宇宙最难以捉摸的粒子称重

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-07-20 10:48:09 | 作者:宗华编译 | 来源:科学网 | 浏览:517次 ]

KATRIN光谱仪内的真空室。图片来源:MICHAEL ZACHER

银色的真空室看上去像一艘齐柏林飞艇。不锈钢面板之间的焊接线依稀带有装饰派艺术风格,看上去曾经充满未来感,如今却已过时。虽然只有“兴登堡号”飞船的1/10,但仍和一头蓝鲸的大小相仿——这艘飞船耸立在德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)一座像飞机库一样的建筑物内,并且看上去似乎作好了飘走的准备。尽管这个真空室附着在地面上,但它拥有一个“飘渺”的目的:为最难以捉摸和最神秘的亚原子粒子——中微子称重。

2001年,物理学家设计了卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验。如今,这个耗资6000万欧元的项目的各部分最终正集合到一起。研究人员计划在明年早些时候开始收集数据。“这是最后的倒计时。”约140名致力于该项目的研究人员的共同发言人、KIT物理学家Guido Drexlin 表示。

考虑到宇宙含有的中微子比任何其他物质粒子都要多,物理学家不知道中微子有多重似乎是一件很荒谬的事情。每一立方厘米空间平均约有350个宇宙大爆炸残留的原始中微子。同时,太阳每秒钟产生上万亿个穿过人体的高能中微子。然而,没有人注意到它,因为这种粒子同物质的相互作用非常微弱。仅看到少数几个中微子,便需要重达很多吨的探测器。目前尚未有简单的方法来测量中微子的重量。

推断中微子存在

1914年,英国物理学家James Chadwick研究了β衰变。这是一种放射性衰变形式,其中原子核会释放电子,从而将中子变成质子。能量守恒定律表明,来自特定原子核,即铅-214的电子应当始终以相同的能量出现。然而,Chadwick发现,它们以相当大的能量范围出现。有些电子的能量甚至延伸到零,仿佛正在消失。

这一观察结果引发了物理学上的一场小危机。伟大的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔甚至提出,能量可能不会在原子尺度上得以保存。不过,1930年,“淘气”的奥地利理论学家Wolfgang Pauli通过更加简单的方式解决了这个问题。他推断,在β衰变中,第二种看不见的粒子伴随着电子出现,并且随机带着一部分能量“潜逃”。这种粒子肯定很轻——小于质子质量的1%,而且不带电荷,因此未能被探测器发现。

3年后,意大利物理学家Enrico Fermi将这种假设的粒子称为中微子。在发展更加完善的β衰变理论的过程中,Fermi意识到,电子的能量可为研究中微子的关键属性——质量提供线索。如果中微子是没有质量的,电子能谱应当扩展至和它单独出现时拥有的相同的能量。如果中微子是有质量的,能谱应该缺少同其质量相当的部分。为测量中微子的质量,物理学家只需要精确地描述出电子能谱在β衰变中的上限。

不过,这种测量方法要求极高的精度。数十年来,物理学家一直试图利用氚——进行β衰变的最简单的原子核——实现上述测量。1949年,首项研究表明,中微子的质量小于500电子伏特(eV),即电子质量的1/1000。KATRIN成员、美国华盛顿大学物理学家Hamish Robertson介绍说,自此以后,一系列实验每隔8年便会将电子能谱的上限减半。“中微子质量有点遵循摩尔定律。”Robertson表示。如今,这一上限达到2eV左右——最轻的原子质量的二十亿分之一。1999年,在德国美因茨和俄罗斯特罗伊茨克分别独立开展的试验均报告了这一结果。

设计KATRIN试验

2001年,科学家在位于德国黑森林地区巴德利本策尔乡下一座高山上的城堡中聚集,并且决定通过开展氚β衰变实验,进一步推进中微子质量的测量工作。“这是KATRIN的起始点。”Drexlin表示。KATRIN试验希望将质量上限降低10倍,即达到0.2eV,或者更低,从而获得中微子质量的真实结果。

虽然KATRIN试验是对测量中微子质量开展的长达70年探索的最高潮,但实验的构建拥有自身的特点。实验核心部分——长达23米、宽近10米的不锈钢真空室由一家位于代根多夫县的公司制造。从代根多夫县驱车仅400公里,便可到达位于KIT的KATRIN所在地。然而,由于没有直接的路线可容纳如此大的负重,因此科学家无法将其直接带回家。

相反,2006年9月,这个重达200吨的装置开始了一场更加漫长的旅程——先是沿多瑙河顺流而下,到达黑海。从那里,一艘船载着它通过爱琴海和地中海,然后顺着欧洲大西洋沿岸和莱茵河而上。最终,在2个月后,它在一个位于KIT以北7公里处的村庄——利奥伯德港登陆。在那里,一辆特殊的卡车载着它缓慢通过城镇中心,有些时候距路边仅有5厘米空余。KIT物理学家Thomas Thuemmler介绍说,这场8800公里的旅行花费了60万欧元,“其中最后7公里的花费和此前所有阶段的花费相当”。

产生深远意义

数十年来,物理学家发现,中微子以3种类型,或者说“味”存在——电子、μ介子和τ介子,而这取决于它们产生的粒子的相互作用。1990年,利用位于日本西部的大型地下中微子探测器——超级神冈探测器开展的试验证实,宇宙射线碰撞大气层中的分子产生的μ子中微子在穿过地球到达探测器时会改变“味”。

这种“味”的改变表明,中微子不可能是没有质量的。否则,依照相对论,它们必须像光子一样,以光速穿行。在这种情况下,时间对于它们来说是静止的,从而使改变“味”成为不可能。不过,这种“味”的改变取决于3种中微子质量的差异,而非精确的数值。因此,尽管物理学家详尽地研究了这种现象,但他们只能说,某种中微子肯定拥有至少0.05eV的质量。同时,他们不知道哪种类型是最重或者最轻的。

来自宇宙学的结果表明,KATRIN可能不够敏感,从而无法为上述问题提供答案。宇宙大爆炸创建了塑造宇宙结构演化以及减缓星系和星系团形成的中微子海洋。通过研究新生宇宙中的物质刚刚开始聚集时释放的宇宙微波背景以及星系的分布,宇宙学家推断,所有3种中微子的质量总和不超过0.2eV,而这恰好是KATRIN敏感度的上限。如果是这样,要单独测量β衰变释放的电子中微子质量似乎变成不可能,因为对于KATRIN来说,它太轻了。

不过,上述估测带有一条警告:它取决于宇宙学家利用的标准模型的有效性。标准模型假定,宇宙含有普通物质、仅通过重力进行相互作用的神秘“暗物质”以及同样减缓了星系团形成的奇异“暗能量”。因此,加州大学尔湾分校宇宙学家Kevork Abazajian表示,通过测量中微子的质量,KATRIN的物理学家可测试标准模型,尤其是关于暗能量的假设,从而可能使事情出现反转。“如果他们发现了同标准模型不一致的东西,便可以说宇宙学中的某些东西出了问题。”Abazajian说,“这将产生深远的意义。”(宗华编译)

Tags:KATRIN  中微子 质量   β衰变

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