“中微子的能量比我們之前看到的都要大,它可以達(dá)到世界上粒子加速器產(chǎn)生的能量的幾百萬(wàn)倍?!苯眨?015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者亞瑟·麥克唐納在世界科技創(chuàng)新論壇上表示。上述結(jié)論,源自他對(duì)“冰立方”中微子天文臺(tái)最近發(fā)表的一項(xiàng)研究的分析。
近日出版的《科學(xué)》雜志刊登封面文章,稱“冰立方”中微子天文臺(tái)找到耀變體發(fā)射超高能中微子的證據(jù)。這篇文章中提到,2017年9月22日,冰立方探測(cè)到一個(gè)能量為290 TeV(萬(wàn)億電子伏特)的中微子。目前能量最高的加速器——?dú)W洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),只能把粒子加速到7 TeV。
眾所周知,中微子質(zhì)量很小,幾乎不與物質(zhì)作用,那么要捕捉到有“幽靈粒子”之稱的它有哪些辦法?目前有哪些項(xiàng)目正在尋找中微子?“冰立方”在尋找中微子方面有什么特殊優(yōu)勢(shì)?哪些過(guò)程可能產(chǎn)生中微子?探尋中微子有哪些科學(xué)意義?
不知不覺(jué)中帶走能量
20世紀(jì)20年代,科學(xué)家在研究β衰變時(shí),發(fā)現(xiàn)在這一過(guò)程中,有一部分能量不知去向。依照能量守恒定理,如果靜止的中子衰變成一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子,那么電子的能量應(yīng)該等于中子能量減去質(zhì)子能量的結(jié)果。電子的能量約等于中子與質(zhì)子的質(zhì)量差,而實(shí)際測(cè)量到的電子能量都比預(yù)測(cè)的要小。
這讓科學(xué)家們感到十分困惑,在亞原子過(guò)程中,能量守恒定律是否失效了?1930年,當(dāng)時(shí)年僅30歲的奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?,?duì)此作出了一種大膽的推斷。
泡利預(yù)言,在中子的β衰變過(guò)程中,除了產(chǎn)生質(zhì)子和電子之外,可能還產(chǎn)生了另一個(gè)新的粒子,是它帶走了“不知去向”的那部分能
在閃爍液體中顯形
由于中微子與物質(zhì)的相互作用很弱,因此想要在實(shí)驗(yàn)里直接找到它,是件很困難的事情。為此,科學(xué)家想了很多辦法。
理論上,只要發(fā)生核裂變反應(yīng),就會(huì)產(chǎn)生中微子。起初,科學(xué)家們選擇在核反應(yīng)堆附近建造對(duì)中微子特征敏感的粒子探測(cè)器。
上文提到的柯萬(wàn)和萊因斯便是將一個(gè)大型裂變反應(yīng)堆作為中微子來(lái)源,用裝有氯化鎘溶液的容器來(lái)捕捉中微子。他們預(yù)計(jì),中微子跟溶液中的質(zhì)子碰撞后的一系列反應(yīng),會(huì)引起閃光。
果然,閃光出現(xiàn)了,被液體閃爍計(jì)數(shù)器記錄了下來(lái)?!伴W爍液體是一種在射線下能發(fā)出熒光的液體,每來(lái)一個(gè)射線就發(fā)出一次熒光。由于中微子與質(zhì)子碰撞時(shí)發(fā)出的頻閃很有特異性,從而證實(shí)了中微子的存在?!敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T周順解釋道。
人造核反應(yīng)堆之外,太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)和超新星爆發(fā)過(guò)程都可以產(chǎn)生大量中微子。同時(shí),當(dāng)高能宇宙射線撞擊地球大氣層中的粒子時(shí),也會(huì)產(chǎn)生中微子。為了尋找來(lái)自太陽(yáng)和大氣的中微子,20世紀(jì)60年代以來(lái),物理學(xué)家們?cè)谏畈康叵陆ㄔ炝硕鄠€(gè)探測(cè)器。
比如,日本東京大學(xué)在一個(gè)深達(dá)1000米的廢棄砷礦中建造了大型中微子探測(cè)器——超級(jí)神岡探測(cè)器(Super-Kamiokande)。“這是一個(gè)能同時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)和大氣中微子的探測(cè)器?!敝茼樈榻B。
“冰立方”中微子天文臺(tái)的探測(cè)器則深埋在南極冰蓋下1.5千米處,由86串傳感器組成,排布在1立方千米的冰內(nèi)。當(dāng)中微子偶爾與冰中的原子發(fā)生反應(yīng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一大團(tuán)帶電粒子,帶電粒子輻射出的藍(lán)光會(huì)照亮周圍的冰。這些被稱為契倫科夫輻射的藍(lán)光可以在純凈的、極透明的冰中傳播幾百米,被布置好的探測(cè)器盡收眼底。
不同探測(cè)方式構(gòu)成互補(bǔ)
既然發(fā)現(xiàn)了中微子的存在,物理學(xué)家們就迫切想知道它的能量、質(zhì)量、速度等各種物理性質(zhì)。
中微子分三種:電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們可以“振蕩”——從一種類型變成另外一種。三種不同振蕩模式的幅度可以由三個(gè)混合角θ12、θ23和θ13來(lái)定量地描述。前兩種已在太陽(yáng)中微子和大氣中微子振蕩實(shí)驗(yàn)中找到。
2012年,大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組宣布,他們發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩模式,且實(shí)驗(yàn)達(dá)到了前所未有的精度,測(cè)得第三種中微子振蕩模式的振蕩幅度為9.2%,誤差為1.7%,無(wú)振蕩的可能性只有千萬(wàn)分之一。
不止是大亞灣實(shí)驗(yàn),國(guó)際有多個(gè)裝置都在對(duì)中微子振蕩模式進(jìn)行研究。在周順看來(lái),在振蕩模式測(cè)量中,對(duì)3個(gè)中微子兩兩之間的質(zhì)量差可以測(cè)得很精準(zhǔn),但無(wú)法測(cè)量出單個(gè)中微子的絕對(duì)質(zhì)量。
那么,如何測(cè)量單個(gè)中微子的質(zhì)量呢?費(fèi)米曾提出,可以通過(guò)測(cè)量β衰變能譜來(lái)確定中微子的質(zhì)量。在一個(gè)典型的β衰變中,原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成質(zhì)子,同時(shí)放射出一個(gè)電子和一個(gè)電子型反中微子。盡管反中微子無(wú)法直接探測(cè)到,但可以通過(guò)伴隨電子的能量和動(dòng)量,推測(cè)出這個(gè)反中微子的質(zhì)量。
但是,由于中微子的質(zhì)量實(shí)在太輕,想通過(guò)測(cè)量β衰變來(lái)測(cè)量其質(zhì)量,要求探測(cè)器具備極高的靈敏度。令人興奮的是,今年6月,德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院為中微子打造的迄今最靈敏的“體重秤”KATRIN正式開(kāi)始運(yùn)行了。
“通過(guò)振蕩模式測(cè)量,我們知道三個(gè)中微子的總質(zhì)量必須大于0.06 eV(電子伏特),目前粒子物理實(shí)驗(yàn)給出的質(zhì)量上限是2 eV,KATRIN預(yù)計(jì)在幾年內(nèi)達(dá)到0.2 eV的靈敏度,這將是一個(gè)數(shù)量級(jí)的提升?!敝茼樥f(shuō)道。
來(lái)自宇宙深處的信使
了解了中微子的各種“軼事”,你可能想知道,研究它有哪些科學(xué)意義?
在周順看來(lái),除去物理學(xué)層面的意義以外,研究中微子對(duì)于了解恒星的結(jié)構(gòu)和演化,乃至宇宙的起源都有著重要的科學(xué)意義。因此,天文學(xué)里專門有一個(gè)分支叫做中微子天文學(xué)。
來(lái)自宇宙深處的高能宇宙射線到達(dá)地球時(shí),人們無(wú)法推斷出它們從何而來(lái)。因?yàn)閹щ娏W釉诖┻^(guò)太空時(shí),星系和星系間的磁場(chǎng)會(huì)改變這些粒子路徑。理論上,宇宙射線的源頭也會(huì)產(chǎn)生中微子。
“耿直”的中微子,幾乎不會(huì)和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),總是一條道走到黑。始終指向起點(diǎn)的它,可以幫助科學(xué)家找到宇宙射線的源頭。
截至目前,“冰立方”已經(jīng)探測(cè)到了多個(gè)超高能中微子,能量高達(dá)1015 eV??茖W(xué)家們正在努力探究這些高能中微子是如何產(chǎn)生的,以及來(lái)自宇宙何處。極端的宇宙現(xiàn)象,例如活動(dòng)星系核和伽馬射線暴,可能是它們的來(lái)源,這兩種現(xiàn)象同樣也可能是宇宙射線的來(lái)源。
周順認(rèn)為,如果高能中微子的來(lái)源能確切地追溯到這些可能的宇宙線來(lái)源上,將幫助科學(xué)家更好地理解那些產(chǎn)生高能中微子的、極其劇烈的天體物理過(guò)程。