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科学家一部更近来知道幽灵中微子的质量可能的为新物理学铺平道路

(2024-04-22 11:44:54)

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科学家一部更近来知道幽灵中微子的质量可能的为新物理学铺平道路

By Ben Turner

2024/4/21

通过精确测量每秒数十亿个流过你身体的幽灵粒子中微子的质量，物理学家可以在粒子物理的标准模型中发现一些闪耀的洞。一项新实验已经带他们更近一步。

一幅艺术家的三个中微子的描画，一种几乎不与其他形式的物质相互作用的幽灵粒子。(Image credit: Shutterstock)

物理学家们朝向测量一种叫中微子的难以捉摸的“幽灵粒子”的质量已经迈出一小步，一个可能会在粒子物理的标准模型中戳出一个重大漏洞的成就。

中微子的质量的一个精确测量将使物理学家能够更深入探究我们宇宙的演化，并潜在的发现潜伏在标准模型之外新的、未被发现的物理现象。但测量这个质量是不容易的。这些粒子的诡异绰号是众所周知的：它们缺乏一个电荷几乎没有质量，这意味着它们以接近光速的速度直接飞行穿过常规物质。

因此，又为接近迄今为止最精确的放在中微子质量上的上限，研究人员不得不设计一个有前所未有灵敏度的实验。他们在4月19日发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中发表了他们的发现。

德国马克斯·普朗克核物理研究所的博士生、该研究的第一作者克里斯多佛施威格尔在一份声明中说，“对一个最大载荷的空客A-380，你可以用这种灵敏度来确定是否有一滴水已经落在它上面”。

每秒钟，大约有1000亿个中微子穿过你身体的每平方厘米。微小粒子是无处不在的——产生于恒星的核火、在巨大的超新星爆炸中、通过宇宙射线和放射性衰变，以及在地球上的粒子加速器和核反应堆中。

事实上，中微子于1956年首次被发现从核反应堆疾驰出，是仅次于光子（光的粒子）宇宙中最丰富的亚原子粒子。

过去，物理学家假定了中微子（很像光子）没有静止质量——一个将使它们的存在与粒子物理的标准模型相兼容的事实。但这一假设受被从太阳流出的中微子的发现挑战，中微子能随意在中微子的三种“风味”之间切换——电子、μ介子和τ中微子，这指的是中微子用之相互作用的不同粒子。

除非中微子应该有一些质量这样的转变应该是有可能的导致物理学家来设计复杂的实验来测量中微子。

天平上的一个幽灵

技术上，在三种中微子风味中量子力学混合的诡异性意味着它们都没有一个明确定义的质量。相反，它们是三种不同“质量状态”的结合。这意味着物理学家不寻找一个中微子质量的精确读数，而是寻找一个质量这个质量多大的上限。

任何物体包括我们自己的身体近99%的质量来自在原子内将基本粒子把持在一起的结合能。然而，剩下的1%的质量对这些粒子是固有的。

彭南陷阱实验 (Image credit: MPIK)

为发现这个固有质量，物理学家们寻找某种叫Q值的东西——初始反应物的质量之和和和最终产物质量之和之间的差。有这个值在手中，进一步的测量能从原子的总质量中提取出固有质量。

一个中微子质量测量实验德国的卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN），通过测量超重氢衰变为氦在这个过程中发射一个电子和一个中微子时的能量，以及通过爱因斯坦的E=mc＾2的质量差，发现了中微子质量的一个精确估计。

卡尔斯鲁厄氚中微子实验的最佳结果发现了一个上限为0.8电子伏特的中微子质量，比一个电子质量小大约50万倍。

这种测量也能通过观测由人造同位素钬-163捕获的电子将它转化为镝-163并释放一个中微子反向做出。但要做到这个，同位素必须被金原子包围。