让中微子不再“藐视”标准模型

来源: 中国科学报

发布日期: 2013-09-13 12:54:19

中微子,一种被发现具有质量的粒子,挑战了标准模型的理论框架。通过多种实验和观测,科学家们正在逐步揭示中微子的特性和行为,包括其振荡现象和可能的宇称不守恒特性。

有一种粒子公然藐视物理学家标准模型的规则,它就是中微子。根据理论,中微子不具有质量。但是,事实情况是,中微子有质量,从理论的角度来说,它们表现得“天马行空、不受拘束”。中微子源于一种形式的核衰变,与其他物质的相互作用力很弱。中微子的表现形式很多样,1998年,物理学家利用日本一个矿内的超级神冈探测器,发现中微子具有质量——尽管不足电子的十亿分之一。

但根据爱因斯坦的相对论,中微子是无质量的,它们不得不以光速飞行。在这种情况下,时间对于中微子而言几近停止,变化也可以忽略不计。对于中微子各种“不合常理”的表现,美国伊利诺伊州埃文斯顿市西北大学理论家André de Gouvêa说:“你绝对可以说中微子在物理学领域是一颗脱颖而出的新星。”

中微子有三种类型——电子、μ介子和τ子,在振动中它们可以从一种类型转变成另一种类型,这一现象可以被6种参数描述:质量上的3种不同(这决定着振荡的速度)和3种不同的混合角(这决定从一种形态转为另一种的差异)。在过去的18个月中,这一模型聚焦的范围已经进一步缩小。2012年3月,中国大亚湾反应堆中微子实验工程的物理学家测量了最后一个未知的混合角,并发现其比很多人曾经预想的大。

3个已知的混合角都大于零度,结果显示中微子和反中微子能够以不同的方式振荡——这种被称为宇称不守恒的不对称性有助于解释为何宇宙中的物质远多于反物质。

美国伊利诺伊州巴达维亚市费米国家加速器实验室(Fermilab)的Robert Plunkett说,大亚湾反应堆中微子实验表明,如果宇称不守恒确实存在,那么它能够被相对容易地观测到。“曾经被认为很艰巨的任务,现在已处于我们的掌握之中。”他说。

今年3月,这个新模型更为引人注目,宇宙学家利用欧洲航天局的普朗克飞船完成了其宇宙微波背景实验。该分析探究了中微子形态的数量,对可能存在的第四种中微子提出了怀疑。de Gouvêa说:“目前确切证实的3种类型的中微子相互作用良好。这个结果也许令人失望,但这就是事实。”

物理学家希望,通过采取一系列不同的测量方法,能找到现有中微子模型间的差异。美国纽约布鲁克海文国家实验室物理学家Mary Bishai说:“如果我们试图以不同的方式观测中微子振荡,惊喜是否会出现?3种形态的中微子模型是否会被瓦解?”尽管中微子物理学“不走寻常路”——与标准模型存在偏差,其仍是研究人员热衷研究的领域,这些难以捉摸的粒子总有着无比强大的诱惑力。

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