科学家寻找它数十年,至今无法计算出质量,南极千米深处蓝光闪烁

茶马星球视野   03月22日

数十年来“真正的”中微子一直在和科学家捉迷藏,科学家们能在南极洲找到它吗?现在南极洲的冰立方中微子天文台可能会帮助物理学家找到它们。

中微子可能是已知粒子中最令人费解的。它们完全无视所有已知的粒子应该如何运动的规则。它们嘲笑我们花哨的探测器,就像宇宙中的猫一样,无忧无虑地在宇宙中漫步。偶尔与我们互动,但只有当它们喜欢的时候才会这样做,不过这样的情况,老实说并不常见。最令人沮丧的是,它们戴着面具,而且从来不会两次看起来完全一样。

中微子几乎不与正常物质打交道,所以它们完全有能力直接穿过地球本身。当它们这样做的时候,它们会变成各种各样的不同的中微子形式。一项新的实验可能让我们距离摘掉这些面具又近了一步。揭示中微子的真实身份有助于回答科学家长脑海中长期存在的问题,比如中微子是否是它们自己的反物质伙伴,这种物质甚至有助于将自然界的力量统一用一个整体理论来描述。

科学家正通过南极的冰立方微粒子天文台进行观测,下图中:微子与南极冰的相互作用过程中,脱落了一个μ子,当这个μ子以超快的速度移动时,它会留下一道蓝光的痕迹,这就是所谓的契伦科夫辐射。

科学家在研究中微子的过程中,发现了一个大问题。中微子很奇怪。有三种:电子中微子,μ子中微子和τ陶子中微子。它们之所以如此命名,是因为这三种类型粒子是由三种不同的粒子分别结合在一起。电子中微子参与电子的相互作用。μ介子中微子与μ介子配对,τ陶子中微子是带负电荷、自旋12的基本粒子。

到目前为止,上述内容根本不奇怪。真正奇怪的是,对于非中微子的粒子,比如电子、介子和τ陶子,所见即所得。除了质量不同外,这些粒子都是完全相同的。如果你发现一个具有电子质量的粒子,它的行为就像电子应该表现的那样,μ子和τ陶子也一样。更重要的是,一旦你发现一个电子,它总是一个电子,不多也不少。μ子和τ陶子也是一样。

但是对于电子、μ子和τ陶子的近亲来说,它们的表现可就不一样了。我们所说的“τ陶子”并不总是中微子。它可以改变它的身份。它可以在飞行过程中,成为电子或μ子中微子。没有人预料到的这种奇怪现象本质上叫做中微子振荡。这意味着,你可以创造一个电子中微子,并把它作为礼物送给你最好的朋友。但是当他们得到它的时候,他们可能会失望地发现它手中是τ陶子。

处于技术上的原因,中微子振荡只有在三个不同质量的中微子同时存在时才会发生。但是振荡的中微子不是电子中微子、μ子中微子和τ陶子中微子。事实三种“真正的”中微子已经被科学家检测到,每个中微子具有不同但未知的质量。这些真实的,本质上的中微子的独特混合产生了我们在实验室中检测到的三种不同的中微子味道((电子,μ子,陶子),实验室测量的质量是那些真实中微子质量的混合物。与此同时,混合物中每一个真正中微子的质量决定了它转变成其它不同中微子的频率。

现在物理学家的工作是理清其中所有的关系。通过观察它们何时以及多久变换一次口味,来计算那些真正的中微子的质量是多少,以及它们如何混合在一起形成这三种不同口味的 。通过各种艰苦的实验,科学家们现在至少间接地对真正中微子的质量有所了解,但是却仍不知道真正的中微子到底有多重,也不知道哪个更重。

所以物理学家只能用m1,m2和m3来代表具有确定质量的中微子,可能m3是最重的,远远超过m2和m1。这就是所谓的“正常顺序”,这是物理学家几十年前就已经猜想的顺序。但是根据科学家目前的研究,m2也可能是最重的中微子,m1紧随其后,相比之下m3则微不足道。这种情况称为“倒序”,这意味着物理学家最初猜错了顺序。

当然也有理论家认为上述每一种情况都是真实的。试图将所有或至少大部分的自然力统一在一个屋檐下的理论,通常要求正常的中微子质量排序。另一方面,反物质排序对于中微子是其自身的反粒子孪晶是必要的。如果这是真的,它可以帮助解释为什么宇宙中的物质多于反物质。

它到底是正常顺序还是倒序? 这是过去几十年中微子研究中面临的最大问题之一,而这正是创建大型南极洲冰立方中微子天文台所要回答的问题。该观测站位于南极,研究人员在南极冰盖上转了许多洞,这些洞深达一两千米,86行光探测器沉入南极冰盖深处,中心的“深核”探测组由8行效率更高的探测器组成,能够发现更低能量的相互作用。

每隔一段时间,中微子就会撞击靠近冰立方探测器的一个分子,引发一连串的粒子雨,释放出令人惊讶的蓝光,这就是科学家说说的切伦科夫辐射,冰立方探测到的就是这种光,光线的量能意味着中微子携带的能量,探测器被激发的模式和顺序则表示出他们的活动方向。

现在多个国家已经在世界各地的深处建立了地下探测实验室,我们期待科学家能够计算出中微子的质量,对中微子的捕捉有助于揭开更多的星辰历史和宇宙奥秘,