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尋找中微子的最新進(jìn)展預(yù)示著物理學(xué)的新篇章

來源：cnBeta.COM 2021-11-01 12:08:09

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據(jù)一直在尋找宇宙的一個(gè)重要組成部分的科學(xué)家稱，物理學(xué)的一個(gè)新篇章已經(jīng)開啟。一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)被用來尋找一種難以捉摸的亞原子粒子：構(gòu)成我們?nèi)粘Ｉ畹奈镔|(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，這次搜索未能找到這種被稱為為sterile neutrino的亞原子粒子，這現(xiàn)在將引導(dǎo)物理學(xué)家走向更有趣的理論，以幫助解釋宇宙是如何形成的。

科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會(huì)（STFC）的執(zhí)行主席馬克-湯姆森（Mark Thomson）教授將這一結(jié)果描述為"相當(dāng)激動(dòng)人心"，該委員會(huì)資助了英國對(duì)Microboone實(shí)驗(yàn)的貢獻(xiàn)。這是因?yàn)橄喈?dāng)一部分物理學(xué)家一直在以為sterile neutrino的存在是一種可能性為基礎(chǔ)發(fā)展他們的理論。

Microboone實(shí)驗(yàn)的基地位于伊利諾伊州巴達(dá)維亞的美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）就在芝加哥城外。但是來自許多國家的物理學(xué)家都參與了這個(gè)項(xiàng)目。Microboone的電子架位于探測器的正上方，在一個(gè)平臺(tái)上，可以阻擋可能影響結(jié)果準(zhǔn)確性的大量宇宙輻射。

中微子是幽靈般的亞原子粒子，它們滲透在宇宙中，但幾乎不與我們周圍的日常世界發(fā)生互動(dòng)。每一秒鐘，都有數(shù)十億個(gè)中微子穿過地球--以及生活在地球上的每個(gè)人。

中微子有三種已知的形態(tài)：electron, muon 以及 tau。1998年，日本研究人員發(fā)現(xiàn)，中微子在旅行過程中會(huì)從一種變成另一種。

目前的亞原子物理學(xué)"大理論"--即所謂的標(biāo)準(zhǔn)模型--無法完全解釋這種轉(zhuǎn)換。一些物理學(xué)家認(rèn)為，找出中微子具有如此微小的質(zhì)量的原因--這就是使它們能夠改變形態(tài)的原因--將使他們更深入地了解宇宙是如何運(yùn)作的，特別是宇宙是如何產(chǎn)生的。

目前的理論表明，在大爆炸之后不久，存在著等量的物質(zhì)和其陰暗的鏡像反物質(zhì)。然而，當(dāng)物質(zhì)與反物質(zhì)相撞時(shí)，它們會(huì)猛烈地相互湮滅，釋放出能量。如果早期宇宙中的物質(zhì)數(shù)量相等，它們應(yīng)該相互抵消。相反，今天的宇宙大部分是由物質(zhì)構(gòu)成的，反物質(zhì)的數(shù)量要少得多。

一些科學(xué)家認(rèn)為，包含中微子轉(zhuǎn)換在內(nèi)的一些宇宙行為，使一些物質(zhì)在大爆炸后得以存活，并創(chuàng)造了構(gòu)成宇宙的行星、恒星和星系。

20世紀(jì)90年代，美國能源部新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)名為"液體閃爍器中微子探測器"的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的電子中微子比三中微子轉(zhuǎn)換形態(tài)理論所能解釋的要多。這一結(jié)果在2002年的一次單獨(dú)實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)。

物理學(xué)家們提出了第四種中微子的存在，稱為sterile neutrino。他們認(rèn)為這種形式的粒子可以解釋電子中微子的過度生產(chǎn)，關(guān)鍵是可以深入了解為什么粒子會(huì)改變形態(tài)。

它們被命名為sterile neutrino，因?yàn)樗鼈儽活A(yù)測為根本不會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，而其他中微子可以--盡管非常少。探測到不育中微子將是亞原子物理學(xué)中比希格斯玻色子更大的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榕c其他形式的中微子和希格斯粒子不同，它不是當(dāng)前物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分。

一個(gè)由來自五個(gè)國家的近200名科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)開發(fā)并建造了微型助推器中微子實(shí)驗(yàn)，或稱Microboone，以便找到它。Microboone由150噸的硬件組成，其空間大小相當(dāng)于一輛貨車。它的探測器高度敏感：它對(duì)亞原子世界的觀察被比喻為以超高清的方式觀察。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在宣布，對(duì)該實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的四次單獨(dú)分析顯示，"沒有暗示"sterile neutrino的存在。但這一結(jié)果與其說是故事的結(jié)束，不如說是新篇章的開始。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的薩姆-澤勒博士說，未探測到并不意味著與之前的發(fā)現(xiàn)相矛盾。

"先前的數(shù)據(jù)并沒有說謊，但有一些非常有趣的事情發(fā)生，我們?nèi)匀恍枰忉尅?shù)據(jù)正在引導(dǎo)我們遠(yuǎn)離可能的解釋，并指向更復(fù)雜、更有趣的東西，這真的很令人興奮。"

曼徹斯特大學(xué)的賈斯汀-埃文斯教授認(rèn)為，最新發(fā)現(xiàn)所帶來的難題標(biāo)志著中微子研究的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)："每次我們研究中微子，我們似乎都會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的或意想不到的東西。"Microboone實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果把我們帶入了一個(gè)新的方向，我們的中微子項(xiàng)目要去探尋其中一些謎團(tuán)的真相。"

【來源：cnBeta.COM】

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