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一个被寄予厚望的粒子假说,被否决了

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发表于 2023-1-16 23:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
一个被寄予厚望的粒子假说,被否决了[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]

[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]Original [color=var(--weui-FG-2)]小雨
原理 [color=var(--weui-FG-2)]2023-01-16 04:28
[color=var(--weui-FG-2)]


                               
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  一个谜题的终结  

我们生活在一个由粒子所构成的世界之中。在现代粒子物理学中,所有已知的基本粒子及其相互作用,都是由粒子物理学的标准模型描述的。

在标准模型中,中微子吸引了许多的关注。目前,已确认存在三种不同类型的中微子,或者说中微子有三种“”,分别是电子中微子µ子中微子τ子中微子。除此之外,物理学家还预言了第四种类型——惰性中微子

惰性中微子的存在与否是物理学中的一大谜题。现在,这一谜题的终极结论似乎已被揭晓。在一项新的研究中,研究人员在结合了大量的实验数据后,称他们排除了惰性中微子存在的可能

这一对粒子物理学有着重要意义的研究结果被发表在了1月11日的《自然》杂志上。


  一种神奇的“身份”转换  

中微子是宇宙中最丰富的基本粒子之一,它们有的来自太阳核心的聚变,有的来自宇宙射线与地球大气的相互作用,有的来自在加速器中产生的粒子的衰变。每一秒,数万亿颗中微子穿过我们的身体,但我们无法察觉它们的存在。

尽管中微子的数量极其丰富,但由于它们几乎不与任何物质相互作用,导致探测中微子变得极为棘手,因此它们也常被称为“幽灵粒子”。

在过去的实验中,物理学家发现了这些粒子的一个奇怪特性:当中微子在空间中传播时,它们的“身份”可以互相转变——从一种“味”自发地转化成另一种。例如,当从太阳核心释放出来的一个电子中微子在抵达地球前,它是可以转变成其它身份的。这种过程被称为中微子振荡

在过去很长一段时间里,物理学家认为中微子是无质量的,但中微子振荡现象的发现,证实了中微子必须是有质量的。因为这种奇异的现象只有在中微子是有质量的情况下才会发生。


  异常的实验结果  

1996年,科学家在一项实验中发现了一种具有新频率的异常中微子振荡,这预示着可能存在第四种中微子,也就是惰性中微子。

之所以说它们是“惰性的”,是因为它们不参与弱相互作用,只有当一种普通中微子通过振荡变成它时,它才会出现。此外,它们的质量应该比其他三种中微子要大得多。

随着实验精度的提高,这一假设在2011年得到了进一步的支持。当时,物理学家发现,核反应堆产生的电子中微子(即电子中微子的反粒子)的总数(通量)比理论预测值低6%。这一显著的异常是可能存在惰性中微子的最有力线索之一,因为造成这种缺失的一个可能解释是,一些中微子在离开反应堆堆芯后变成了惰性中微子。但这种说法,一直没能得到实验的确凿证实。

在核反应堆中,反中微子的产生源自于β衰变。具体来说,当反应堆中铀-235和钚-239在经过裂变反应分裂成更轻的原子核后,更轻的原子核会经历放射性衰变。在这样的衰变过程中,原子核中的中子会变成质子,释放出一个电子和一个反电子中微子。


  STEREO实验  

2017年,为了明确地检验惰性中微子是否存在,并确定它们的性质,格勒诺布尔国际研究所的高通量核研究反应堆开始设计并开始运行STEREO实验

STEREO实验的中微子探测器是由6个相同的部分组成的,它们被放置在距离反应堆堆芯9~11米的地方。之所以选择这个距离范围,是因为在那里,转变成惰性中微子的振荡,可以显现在电子中微子的能谱中。

此外,由于中微子是很难被探测的粒子,来自反应堆外的其他信号来源可以很轻易地对目标信号造成干扰,因此这样的实验需要对探测器进行外部环境隔绝。在STEREO实验中,合作组对背景信号进行了较好的屏蔽控制。


                               
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STEREO实验示意图,探测器被放置在反应堆堆芯旁。(图/stereo-experiment.org)

如果反中微子确实振荡成了惰性反中微子,那么在STEREO实验中,就可以既看到2011年的反中微子通量异常,还可以看到反中微子能谱会随着探测器与反应堆的距离变化而变化。因为有着更低能量的中微子,应该比有着更高能量的中微子转变得更快,从而会在中微子前进的过程中改变它的能谱。


                               
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如果存在惰性中微子,那么探测到的能谱的形状会随着距离变化。(图/D. Lhuillier, CEA via stereo-experiment.org)

在2017年至2020年期间,STEREO合作组总共观测到超过10万个中微子。然而,却没有发现任何表明惰性中微子存在的痕迹。他们的数据显示,虽然反中微子的通量的测量值确实比预测值低5.5%,但反中微子的能谱并没有随着与反应堆的距离变化而变化

这意味着,STEREO实验证实了通量异常,但排除了这种异常是由惰性中微子引起的可能性


  迷雾仍在  

其实,早在2017年,来自中国大亚湾反应堆中微子实验的物理学家就曾对2011年的实验结果提出过质疑。在大亚湾实验中,研究人员在反应堆中使用了4%的铀-235作为燃料。最终的结果表明,随着铀-235数量的减少,反中微子缺失的量也在缩小。这意味着,来自铀-235的反中微子通量可能被高估了。

现在,STEREO合作组证实了这种怀疑,他们在很大程度上排除了惰性中微子存在的可能。然而,迷雾并没有散去。最新的结果虽然证实了反应堆中的反中微子通量的确存在异常,但这种异常的原因仍是一个谜。
尽管仍然迷雾重重,但这一结果对基础物理学的许多领域都有着重要影响。一方面它强有力地否定了惰性中微子假说,但同时它也进一步支持了标准模型。

#创作团队:
撰文:小雨
设计:雯雯
#参考来源:
https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/final-results-from-the-stereo-experiment-reject-sterile-neutrino-hypothesis
https://www.nature.com/articles/d41586-022-04581-9
https://www.stereo-experiment.org/scientific.php?
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05568-2
https://www.science.org/content/article/nuclear-reactor-mystery-solved-no-need-new-particles
#图片来源:
封面图&首图:J.L. Baudet, ILL


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