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撼动宇宙的小粒子——中微子

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发表于 2018-3-17 09:32:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
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太阳不只赋予我们光,还发射了无数中微子,穿过我们的身体。图片来源:NASA

    导读:
        来自宇宙大爆炸后瞬间的中微子正飘荡在宇宙的各个角落,而地球上最大的探测实验也捕捉不到它们的身影。科学家们正试图用整个宇宙来作为“探测器”,去给宇宙中微子们“称重”。
        天问专栏第十六期,带你走进中微子称重现场。

撰文 | 刘 佳 (普林斯顿大学)
责编 | 吕浩然
  

一个静谧的午后,我正试图向妈妈解释什么是中微子。

“如果你把大拇指竖起来,每一秒钟,就有700亿中微子从你的拇指中穿过。”

“700亿?!”听到这个数字,妈妈吓了一跳,赶紧把手揣回口袋。

可事实却是,妈妈试图阻止中微子在她身体穿行的动作其实并不管用:一颗中微子在太阳内核产生后,只要2秒就可以离开太阳表面,然后以近光速的速度飞行八分钟后到达地球。它们毫无阻碍地穿过整个地球只需要0.02秒,“所以你的口袋对它们来说根本就是透明的啦!”

“不过不用担心,”我告诉妈妈,“中微子是无害的。”

然而,这种无害而又细小的粒子却在宇宙中扮演着重要的角色。

消失的能量——中微子的发现

我们目前知道的有四种力:引力、电磁力、弱力及强力。后两者只发生在原子核内部,所以我们平时都感受不到。除了引力,中微子只参与弱力(比强力弱非常非常多),它们可以毫不费力地穿过一光年厚的铅墙,也不撞上任何其它粒子!

也正因为中微子不容易和其它粒子发生反应,很长一段时间,我们都不知道它的存在。

1920年代,众多实验发现在β衰变中,能量守恒定理不管用了。按理说,中子衰变成一个质子和一个电子(n → p + e)的话,电子的能量应该永远是中子和质子的能量差。但实际测量到的电子却有各种能量,并且都比预测的能量要小——有一部分能量莫名其妙地消失了!


这是怎么回事?物理学家们开始怀疑物理定律,觉得也许他们奉为黄金准则的“能量守恒定理”没想象中那么管用。

1930年12月4日,在德国图宾根市有一个物理大会。鲍利(Wolfgang E.Pauli,1900 - 1958)让朋友在会上宣读了一封他的信,建议说这个“消失的能量”可以用一个新的粒子来解释。也就是说,中子衰变后,除了质子和电子,还有第三个粒子被制造出来。



鲍利1930年来信原文,图片来源:CERN

在信的最后,鲍利解释自己为什么无法亲自出席会议,“因为我在瑞士苏黎世有个派对要去”——“噗,生活蛮惬意的嘛!”我心想。不过我猜也许他怕被大家炮轰,所以随便找个借口也不一定。

他在信里补充说,“我的建议实在不可信,如果真是这样的话,我们怎么还没观测到那个新粒子呢?”他后来也一直觉得这个猜测太离谱,根本就没有花时间把它写进论文里。倒是在1934年,费米(Enrico Fermi,1901 - 1954)觉得这个想法不错,就把这颗新粒子加进了他的β衰变理论里,并取名为“中微子”(neutrino)–––来自意大利语,意为“中性的微小粒子”。

在鲍利猜想后的第26年,中微子终于在1956年被科温(Clyde Cowan,1919 - 1974)和莱因斯(Frederick Reines,1918 - 1998)等人用实验证实。他们用两个各装有一百升水的容器作为探测器,发现从核反应堆里产生的中微子与容器里的质子作用,发生β衰变并产生伽马射线和中子。鲍利在这次发现不久后去世,也算是幸运地在有生之年看到了中微子的成功探测。

太阳中微子谜题——中微子震荡

上世纪六十年代,问题又来了。人类那时已经有能力探测到来自太阳的中微子。其中最著名的是美国南达科他州位于地下1.5公里的霍姆斯塔克(Homestake)实验。当时也已经有了比较完善的标准太阳模型,可以通过计算太阳中心核聚变的速率,推算出每一秒有多少中微子被太阳射出来[1]

但是在地球上探测到的太阳中微子,却只有预测的三分之一。人们怀疑:不是太阳模型的理论错了,就是中微子实验出了毛病!不然另外三分之二的中微子跑到哪里去了?

然而结果让人大跌眼镜——太阳模型理论没错,中微子探测实验结果也没错!问题出在中微子身上,它们比我们想象中的要更有趣!

“中微子振荡”解释了这个谜题的答案。中微子有三种“味”,分别为电子e、渺子μ和陶子τ中微子。当然这里说的“味”不是味觉的“味”,而是基础粒子的一种属性。任何一味的中微子都会随着时间变化而“变味”(也就是振荡)

太阳内核只生产电子中微子,但是电子中微子在穿越真空来到地球的过程中会来回“变味”——有时是渺子中微子,有时是陶子中微子,有时变了一圈又回到电子中微子。所以当它们被地球上(只能探测到电子中微子)的探测器所捕获时,已经有2/3的电子中微子变成了另外的味。
不停“变味”的中微子,图片来源:Johan Jarnestad/The Royao Swedish Academy of Sciences

加拿大位于地下2.1公里的萨德伯里中微子天文台(SNO)在直径12米的球型容器中装了1000吨重水,他们通过对中性流相互作用和电子弹性散射作用的分析,对所有三个味的中微子都有灵敏度。SNO最终探测到了和预期数量吻合的太阳中微子,证实了太阳中微子振荡。


加拿大萨德伯里中微子天文台,图片来源:萨德伯里中微子天文台

同一时期,日本在富山县茂住矿山一个深达1公里的废弃砷矿里建造了超级神冈探测器(Super Kamiokande):在一个高为41米、直径39米的圆柱形大容器里装了5万吨高纯度水。他们的观测目标是地球大气层中产生的渺子中微子。通过对比头顶(振荡发生前)和脚底(振荡发生后,从地球另一端穿过来的)的渺子中微子数量,超级神冈实验成功证实了大气层的中微子振荡。


日本的超级神冈探测器,在实验初期(1996年)往探测器内灌水。图片来源:东京大学

写到这里,也许你已经发现了,大部分的中微子探测器都是在很深的地下。为什么呢?这么做的原因是地球表面充斥着来自外太空的高能粒子“宇宙线”,可以产生类似中微子的信号。把探测器埋在地下,可以利用地球来屏蔽这些宇宙线,以降低噪音的干扰。(PS:请不要问我宇宙线是从哪里来的,我也不知道……不过有迹象显示宇宙线来自于银河系外的超级高能事件,比如超新星爆炸和活动星系核。)

“它也是有质量的!”

中微子振荡的发现,证明了中微子质量不为零。在相对论中,质量为零的粒子以光速运行,时间对它们来说是静止的,因此它们“不知道”时间的存在。而“振荡”的发生要求中微子“知道”时间流逝了多少,然后相对地去“变味”,进而证明了中微子质量必须不为零。

“中微子质量不为零”这个结论强迫我们去修正之前的粒子物理“标准模型”。“标准模型”描述了基本粒子的性质和相互作用,里面包括6个夸克、6个轻子、4个规范玻色子,还有1个希格斯玻色子。信不信由你——仅仅这17个粒子(以及它们的反粒子),就能精确地描述我们所在的这个世界!桌椅、花草、各种颜色的光芒、你自己和所有你爱的人,都是由这些粒子所组成!(不过,一个大大的“不过”,暗能量和暗物质暂时无法由它们描述,但这就要留到以后再讲了!)



粒子物理标准模型,最后一行的绿色粒子为中微子,他们的质量目前未知。图片来源:维基百科

在最初的模型中,三个中微子都是质量为零。目前为止,我们虽然知道它们的质量不为零,但却不知道具体质量是什么。测量质量——听上去很简单的一件事(我妈:“放在秤上量一量就好了嘛!”),实际操作起来,却因为在实验室里中微子只通过弱力起作用而变得极端棘手——β衰变几乎是唯一的办法。

德国的卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验就是试图通过观测氚原子的β衰变来寻找答案。氚3H,读作:chuān)又称超重氢,原子核由一个质子和两个中子组成,比普通的氢原子(氕,读作:piē)多出两个中子,其β衰变产生的电子拥有较小的能量,所以很适合实验目的。KATRIN将测量β衰变后的电子能谱。电子能谱终点与零质量曲线相比所缺少的能量,就是中微子的质量。为什么知道了能量就等于知道了质量?是爱因斯坦著名的质能方程(E=mc2,即能量=质量*光速平方)告诉我们的。

KATRIN的设想很美好,但是现实却很残酷——如果说中微子质量为1eV的话(保守的上限,实际可能还要更低),能进入最高的1eV能谱的,即“有用”的电子只占所有电子的2x10-13,也就是20万亿颗电子里才有一颗……无论如何,KATRIN实验正在进行中,让我们拭目以待吧!


2006年11月25日,特殊制造的卡车正载着200吨重的KATRIN探测器,小心翼翼地穿过德国小镇符腾堡(Leopoldshafen),运往卡尔斯鲁厄科研中心。图片来源:卡尔斯鲁厄科研中心


德国的卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验通过测量β衰变的电子能谱终点来限制中微子质量。左图为电子能谱,右图为能谱终点放大图,红线为零质量的预期,蓝线为质量为1eV的中微子。也可以理解为,灰色小三角显示的“失去的能量”就是被中微子的静止质量带走的。图片来源:KATRIN实验

宇宙中微子背景辐射

在宇宙大爆炸发生后的瞬间,整个宇宙像一碗超级热汤,各种粒子(包括中微子)不停地产生和泯灭。而当宇宙迅速膨胀,粒子密度骤然下降后,中微子再也撞不上其它(有电磁力和强力作用的)粒子了,于是在宇宙大爆炸后仅一秒钟,中微子就停止了和其它粒子的弱力作用,从此在宇宙中自由飘荡——这就是宇宙中微子背景辐射[2]

你也许听说过另一种宇宙背景辐射,宇宙微波背景辐射,它和中微子背景辐射的原理类似,是与电子分离后的光子在宇宙中自由穿行。然而微波背景来源于宇宙诞生后约38万年,远远晚于中微子背景。

今天,这些来自宇宙初期的中微子无处不在地填满了宇宙的各个角落,你的一杯水中就有几千个宇宙中微子。可惜的是,我们无法像探测太阳中微子一样探测这些宇宙中微子,因为它们的能量实在太弱了,根本就无法“撞”动我们探测器中的原子核[3]


宇宙中微子和其他来源的中微子能量对比,图片来源:Ulrich F. Katz and Christian Spiering(2012)

于是科学家们脑洞大开,试图用整个宇宙来做这些中微子的探测器。这次,我们利用的不是中微子的弱力作用,而是它们的引力作用。


我们今天看到的星空中的各种星系和星系团,是宇宙中物质引力作用的结果。而冷暗物质占了所有物质的85%,所以对宇宙的演变有决定性作用。冷暗物质不具有电磁力和强力,只通过引力相互作用(不过我们尚不知它们是否有弱力)。宇宙初期,物质分布只有微小的不均匀。在宇宙膨胀后,在冷暗物质的引力作用下,密度高的地方吸进越来越多的物质,密度低的地方则变得越来越空旷,于是这些不均匀慢慢变得越来越明显。宇宙中密度最高的地方便形成了我们所熟悉的星系和星系团。


电脑模拟宇宙中物质分布的演变过程。左上角为134亿年前的远古宇宙,右下角为今天的宇宙。图片来源:Andrey Kravtsov and Anatoly Klypin

作为“热暗物质”,宇宙中微子可不像冷暗物质那么乖乖地就往高密度的地方走。由于它们产生于宇宙初期极端高温时期(约300亿摄氏度!),宇宙中微子拥有非常高的动能,所以即使路过高密度区域,仍然可以轻而易举地逃逸掉。冷暗物质就像我们和周围大部分的家具一样,因为没有什么初始速度,便牢牢地被地心引力绑在地面上。而宇宙中微子就好像马斯克的特斯拉轿车一样,凭借着猎鹰重型火箭的强大推动力,逃脱地心引力,冲向太空。

下面的对比图显示了1.9eV中微子(左图)和零质量中微子(右图)的两个宇宙中,可见物质的分布[4]。红色是高密度区域,蓝色是低密度区域。非零质量中微子的存在,仿佛在宇宙的“国画”上泼了一层墨,把细线都晕开了。也正是对宇宙中这些大尺度结构的观测,让我们有可能去限制中微子的具体质量。


电脑模拟宇宙中可见物质的分布。左图假设宇宙中微子质量为1.9eV,右图则假设宇宙中微子质量为零。图片来源:Shankar Agarwal and Hume A. Feldman(2011)

事实上,普朗克太空望远镜的科学家们已经通过宇宙学的数据,在2016年得出了0.23eV的中微子质量上限[5],这离来自粒子物理实验的质量下限0.06eV已经不远了。

我从去年开始对宇宙中微子产生兴趣——感叹中微子质量如此之轻,却撼动了整个宇宙。我和同事们花了一年时间把中微子加入我们的宇宙模拟中。用超过两百万的核小时运算时间(相当于用笔记本电脑算上两百年),最后,我们记录了100个不同质量的中微子对宇宙结构演变的影响[6]

测量中微子的质量,不仅仅是给粒子物理标准模型填补空白那么简单。中微子和其它的费米子相比,质量微小得有些诡异,电子(中微子以外最轻的费米子)的质量至少是中微子的百万倍。如果中微子也和其它的粒子一样,都是通过希格斯玻色子获得质量,为什么它的质量会如此微小?难道它们的质量是通过其它的物理机制获得的?对于中微子质量的准确测量,将帮助我们回答这些问题,甚至给粒子物理的未来发展指明方向。

参考文献:
[1] John N. Bahcall, “Neutrinos from the Sun”, Scientific American, Volume 221, Number 1, July 1969, pp. 28-37.

[2] Julien Lesgourgues and Sergio Pastor, “Massive neutrinos and cosmology”, Phys. Rep. 429, July 2006, pp. 307–379

[3] Ulrich F. Katz and Christian Spiering, “High-Energy Neutrino Astrophysics: Status and Perspectives”, Progress in Particle and Nuclear Physics, Volume 67, Issue 3, July 2012 p. 651-704.

[4] Shankar Agarwal and Hume A. Feldman, "The effect of massive neutrinos on the matter power spectrum", Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 410, Issue 3, January 2011, pp. 1647-1654.

[5] Planck Collaboration, "Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters", Astronomy & Astrophysics, Volume 594, id.A13, September 2016

[6] Jia Liu, Simeon Bird, Jose Manuel Zorrilla Matilla, J. Colin Hill, Zoltan Haiman, Mathew S. Madhavacheril, Andrea Petri and David N. Spergel "MassiveNuS: Cosmological Massive Neutrino Simulations", JCAP In Press, 2018 (arxiv: https://arxiv.org/abs/1711.10524)


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