幽灵般的中微子:我们越来越接近了解它的质量

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中微子是唯一已知质量未知的粒子。测量它的质量将有助于发现超越标准模型的新物理定律。 图为卡尔斯鲁厄研究中心

新浪科技新闻,北京时间10月30日。据国外媒体报道,在宇宙中所有已知的粒子中,只有光子超过中微子。然而,尽管中微子数量众多,但它们与物质的相互作用非常微弱,因此很难捕捉和探测到。每秒钟大约有1000万亿个幽灵般的中微子穿过你的身体,但是它们甚至没有接触到一个原子。

中微子无处不在,但我们甚至不知道它们的重量,这真的有点疯狂。

物理学家很长时间以来一直试图称中微子的重量。 今年9月,经过18年的规划、建设和校准,德国西南部卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验宣布了第一个结果:中微子质量不超过1.1电子伏特(eV),约为电子质量的150万。

这一初步估计仅来自一个月的数据,但与以前使用类似技术的测量结果相比,已经有所改进。 在之前的研究中,研究人员将中微子质量上限设定为2ev。 随着数据的积累,KATRIN的目标是确定实际中微子质量,而不仅仅是给出一个上限。

为什么我们要研究中微子质量?

2006,卡特琳实验的主分光计被运送到德国卡尔斯鲁厄研究中心

质量是基本粒子最基本和最重要的性质之一。 中微子是唯一已知质量未知的粒子。测量它的质量将有助于发现超越标准模型的新的物理定律。 在粒子物理学中,标准模型是描述粒子和力如何在宇宙中相互作用的理论。虽然迄今为止强、弱和电磁力的实验结果与标准模型的预测一致,但模型是不完整的。 测量中微子的质量也可以用来测试宇宙学家关于宇宙如何进化的理论。根据中微子质量的最终结果,我们在宇宙学中可能会有一个非常激动人心的时刻。

直到大约20年前,科学家们还认为中微子没有质量。 1930年,科学家从理论上预测中微子的存在,并在1956年观察到这种粒子

一项获得2015年诺贝尔物理学奖的发现改变了这种情况。 物理学家发现中微子可以从一种状态变化到另一种状态,在三种“味道”之间振荡:电子中微子、μ中微子和τ中微子 这些振荡只有在中微子也有三种可能的质量本征态时才会发生。对于每种味道状态,它可以通过混合几个质量本征态来形成,因此需要非零中微子质量 质量本征态在空之间以不同的方式传播,因此当中微子从点a到达点b时,这种混合的概率将会改变,从而允许探测器测量不同的味道状态。

根据最新中微子振荡数据(揭示质量本征态与其实际值之间的差异),如果最轻质量态为零,那么最重质量态必须至少为0.0495电子伏

然而,与其他粒子的质量相比,中微子非常轻,以至于物理学家不确定中微子是如何得到如此小的质量的。 标准模型中的其他粒子通过与希格斯场相互作用获得质量,希格斯场是一个充满所有粒子空并拖动大量粒子的能量场。 但是它的质量对于中微子来说太小了,你需要一些额外的理论来解释它。

了解中微子如何获得质量可能会解决其他相关的问题,比如为什么宇宙中的物质比反物质多 关于质量产生的机理有一些相互竞争的理论,并预测了三个质量本征态的不同值。 尽管中微子振荡实验测量了这些质量本征态之间的差异,但像KATRIN这样的实验希望获得这三种状态的平均值。将这两种测量方法结合起来可以揭示每个质量本征态的值,从而支持中微子质量的一些理论。

宇宙问题

中微子质量也具有宇宙重要性。 尽管中微子的质量非常小,但在大爆炸期间产生了如此多的中微子,它们的集体引力也将影响宇宙中所有物质聚集成恒星和星系的方式。 大爆炸后大约一秒钟,中微子以接近光速的速度四处逃逸,如此之快以至于它们逃脱了其他物质的引力,但随后它们开始减速,这使它们能够控制原子、恒星和星系。 中微子开始减速的时间取决于它们的质量。较重的中微子会减慢速度,帮助宇宙变得更“庞大”

宇宙学家可以通过测量宇宙密度来推断中微子的质量,但这种间接方法是基于宇宙模型是正确的假设。因此,如果这种方法给出的答案不同于直接测量的中微子质量,这可能意味着宇宙学理论是错误的。

迄今为止,间接宇宙学方法比KATRIN的直接质量测量实验更敏感 普朗克卫星(Planck satellite)最近的宇宙观测数据显示,三个中微子质量本征态的总和不能超过0.12电子伏,8月份,另一项宇宙观测分析发现最轻中微子质量必须小于0.086电子伏 这些都低于KATRIN实验的上限,所以这两种方法之间没有矛盾。随着KATRIN实验收集越来越多的数据,这两种方法也可能有所不同。

下一步是什么?

物理学家一直期待KATRIN的实验,该实验使用氢的重同位素氚来测量中微子的质量。 氚衰变时,它的原子核发射出一个电子和一个电子中微子。通过测量能量最大的电子的能量,物理学家可以推断出电子中微子的能量和质量。

如果KATRIN实验中发现的中微子质量约为0.2或0.3eV,宇宙学家将发现很难协调他们的观测。 一种可能的解释是,随着时间的推移,一些新现象将导致中微子质量的宇宙学影响减弱。例如,中微子可能衰变为更轻的未知粒子,其速度接近光速,阻止它们聚集成物质。 或者,在宇宙历史上,中微子质量的产生机制已经改变。

另一方面,如果中微子的质量接近宇宙观测预测的值,KATRIN实验就没有足够的灵敏度来测量 KATRIN只能将中微子质量限制在0.2eV,如果中微子质量小于0.2eV,物理学家需要更灵敏的实验来确定它的质量,解决粒子物理和宇宙学的问题。 目前,已经有3个项目项目8“钬电子俘获”和霍尔姆斯可能具有更高的灵敏度,它们已经在使用概念验证仪器来采集数据。 (任何一天)